1939 年起美国钢铁学会对薄壁冷轧钢材构件的研究历程及相关规范

1939年，由美国钢铁协会（AISI）资助，康奈尔大学的乔治·温特（George Winter）教授负责开展薄壁冷轧钢构件的实验与设计理论研究。

1946年，第一个薄壁冷轧钢构件的允许应力设计（ASD）规范发布。

1986年，美国钢铁协会（AISI）首次采用屈曲强度理论和允许应力设计（ASD）方法编制了《冷轧钢结构构件设计规范》（AISI 1986）。作者在此基础上编制了《低层轻型钢框架住宅设计-工程计算I》（ASD）。作者在撰写本书时，曾使用Excel表格进行计算，但即便如此，计算过程也是漫长而痛苦的。

1996年，美国钢铁协会（AISI）首次采用荷载和抗力系数设计（LRFD）法编制《冷轧钢结构构件设计规范》（AISI 1996）。笔者在此基础上，编制了《低层轻钢框架住宅设计-工程计算Ⅱ》（LRFD）（未出版）。在撰写本书时，笔者除了使用Excel电子表格进行计算外，还利用AISIWIN7.0程序进行校核。

2004年，美国钢铁协会（AISI）首次采用直接强度法（DSM）编制了《冷轧钢结构构件设计规范》（AISI 2004）。在此基础上，作者撰写了本书《低层轻型钢框架住宅建筑设计-工程计算III》（DSM）。作者在采用直接强度法撰写本书时，用的是有限条（有限元的一个变种）软件——CUFSM2.6b版。感觉好开心，好简单好用！CUFSM软件的版本升级速度太快了，2006年初作者撰写本书时是CUFSM2.5版，年中是CUFSM2.6b版，而到了2006年底，稿子快完成的时候，版本已经升级到CUFSM3.11了。

记得我大学快毕业的时候，也就是1981年底，各工科院校都接到了教育部的紧急通知：所有工科院校的学生在毕业前必须赶紧补上薄壳力学和有限元分析两门课。但是因为当时的计算机还基于真空管，有两层楼那么高，根本不能进行有限元计算，所以只能从理论到理论，笼统地做一些定性分析（有限元的发展史见附录A）。

中国从20世纪50年代开始进行薄壁冷轧钢构件的研究。

《曲线薄壁钢结构技术规范》（草案）于1969年颁布，1975年修订为《曲线薄壁钢结构技术规范》（TJ-18-75）试行，该版本没有考虑屈曲强度理论。

1987年，国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GBJ 18-87）颁布，该版本提到了屈曲强度理论，但并未给出具体的计算方法。

2002年，国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）颁布，此版本采用屈曲强度理论，标准设计理论严谨，设计方法简便，但由于国内对薄壁冷弯型钢构件理论研究和试验研究不足，只能回避许多一时难以处理的疑难问题，使设计过程一再简化，导致设计数据保守。

最要命的是《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）中设计公式的物理意义模糊，准确性、可靠性、通用性较差。当然，任何事物都有两面性，有利就有弊。事实上，由于规范中设计公式的通用性较差，根本无法考虑到新兴的、具有新截面的薄壁冷轧钢构件。由于没有可靠实用的设计方法，或者无从下手，无法计算，很多结构工程师自然避开了可恶的迭代计算（其实很多美国工程师也是这么做的），根本不关心薄壁冷轧钢构件的截面特性，进行粗略估算，然后进行结构设计，最多设计得保守一些，用钢量大一点。

在《低层轻钢结构住宅设计-工程计算I》（ASD）两本书出版期间和出版后，编辑和读者问了我无数个问题——这到底是一个什么东西（即有效宽度迭代计算方法，以及许多屈曲强度和冷轧硬化强度运算符号），为什么我们以前从来没有见过？我相信看过这两本书的读者对此都有深刻的理解。别说自己算了，就是从头到尾读一遍也是一件很痛苦的事情。

当今科技发展日新月异（不只在IT行业），很多中国结构工程师还没有开始尝试用迭代法计算薄壁冷轧钢构件的有效宽度，但这已成为过去，即将转向直接强度法。在本书中，读者会遇到许多在传统材料力学和结构力学中从未遇到过的新概念、新术语。

即使在美国，许多结构工程师也长期嘲笑冷轧钢设计过于复杂、晦涩、繁琐或深奥，不适合日常用途。毫不奇怪，冷轧钢型材需要许多额外的计算，尤其是与双对称、紧凑的热轧钢相比。然而，当问题是一个不对称截面时，薄壁冷轧钢构件的局部屈曲效应可以得到非常有效的利用，并且非常值得结构工程师关注，以节省钢材。

美国钢铁协会 (AISI) 冷轧钢结构构件规范的用户敏锐地意识到当前设计计算的复杂性：通过有效宽度方法的持续迭代、无休止的弹性屈曲计算，所有这些都是为了获得简单的横截面特性。

现在，有一种新的设计方法：使用有限条法开发了直接强度法，该方法旨在降低当前计算的复杂性，使其在计算上易于处理，提供非常实用和灵活的设计程序，并将其与有用的、公认的数值方法相结合。

结构工程师终于摆脱了计算有效宽度的多次迭代方法，现在可以愉快地直接转向直接强度法。

使用直接强度法需要：(1) 确定构件的弹性屈曲行为；(2) 使用一系列极限强度曲线预测强度。美国钢铁协会 (AISI) 规范委员会已经制定并批准了此方法的完整规范。完整详情可参见 。对于步骤 (1)，我们已经开发了全面的传统手动和数值分析方法并进行了概述，以准确计算弹性屈曲行为。由 AISI 基金会部分开发的免费程序 CUFSM () 可用于协助进行弹性屈曲计算，其中包括指南和示例。对于步骤 (2) 中的强度预测，我们已经开发了考虑局部、屈曲和整体屈曲的冷轧钢梁和柱的极限强度曲线，以及适当的安全和抵抗力系数，可用于 ASD 或 LRFD 格式。

直接强度法也根据与现行规范相同的数据和偏好进行校准，因此不会损害其在应用中的固有可靠性。该程序使用与有效宽度法相同的基本经验假设：极限强度是材料的弹性屈曲应力（或载荷）或屈服应力（或载荷）的函数。该方法已在梁和柱方面进行了广泛的探索，并已为其应用范围开发了规范术语。

直接强度法设计的主要优点包括

每日设计改进：

理论上的改进：

适用性和范围的改进：

重要的哲学变化：

直接强度法尚处于起步阶段，还有许多工作需要研究或检验直接强度法的发展。还需要充分论证和探索有限条分析作为直接强度法输入来确定弹性屈曲的应用。因此，美国钢铁协会提供了这款完全免费使用的软件 CUFSM，让任何结构工程师都可以探索薄壁冷轧钢构件屈曲行为的临界值。

目前CUFSM软件采用的是英制单位，因此本书也采用了很多英制单位。另外，目前CUFSM软件只计算应力和弯矩（Pcr和Mcr），进一步的应用计算（如AISIWIN软件计算和校核薄壁冷轧钢构件的间距、支撑高度和跨度）还有待进一步开发。其实知道应力和弯矩（Pcr和Mcr），依靠手工计算并不难。

希望广大对薄壁冷轧钢构件感兴趣的结构工程师、独立学者、大专院校、科研院所等组织和个人积极加入到这一新的研究领域，早日赶上，不要等太晚。

更多信息请点击下方“阅读原文”链接至我的博客，里面有关于直接强度设计方法的详细介绍。