鋼鋁組合截面桿件的設(shè)計(jì)

1、鋼鋁組合截面桿件的設(shè)計(jì)閉思廉 李 碩 龔沁華深圳中航幕墻工程有限公司 深圳市皇城廣場(chǎng)1804室 518045摘要 鋼鋁組合截面是工程中經(jīng)常應(yīng)用的一種截面形式。本文對(duì)鋼鋁組合截面的截面特性計(jì)算以及截面驗(yàn)算進(jìn)行簡(jiǎn)略的介紹。關(guān)鍵詞 鋼鋁組合截面，鋼鋁疊合截面一引言在幕墻支承結(jié)構(gòu)和鋁合金門窗骨架設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省鋁合金用量、降低成本，往往采用鋼、鋁組合截面的桿件，外露部分采用鋁合金型材，隱蔽部分亦即主要受力部分采用鋼型材，這樣，即達(dá)到了外表美觀靚麗、截面小巧而承載能力高、造價(jià)又低廉的目的。另外，在幕墻加固工程中，鋼鋁組合截面也時(shí)有應(yīng)用。鋼、鋁組合截面的形式，一般常用的不外乎如圖 1所示的兩種。其中 a所

2、示的是將鋼型材川入鋁合金型材的腔內(nèi)；而 b所示是鋼、鋁合金型材并列，二者截面一般有一個(gè)共同的對(duì)稱軸。對(duì)于這兩種截面形式，視鋼、鋁型材的組合方式，又可分為疊合式和組合式兩種。所謂疊合式，即鋼、鋁型材之間不加連接，僅僅從構(gòu)造上能保證二者同時(shí)受力即可；而組合式和疊合式不同，它是在鋼、鋁型材之間用物理的或化學(xué)的方法將二者緊密相連的組合形式。由于這兩種截面的組合方式不同，所以在受力后的表現(xiàn)也不同，設(shè)計(jì)計(jì)算方法也完全不同，下面分別予以介紹。 圖 1二疊合式截面桿件的設(shè)計(jì)如圖 2所示疊合式截面桿，當(dāng)其在橫向力作用下受彎時(shí)，桿件將發(fā)生彎曲變形。由于鋼、鋁型材之間不加連接，因此，在二者接觸面間無(wú)任何約束（忽略摩

3、擦），當(dāng)桿件發(fā)生彎曲變形時(shí)，在接觸面間，二者會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)，受荷前在同一豎向截面內(nèi)的abcd亦不在同一截面了，可見(jiàn)，此時(shí)的受彎桿件，已不符合“平截面的假定”條件，因此，二者已不能按一體進(jìn)行計(jì)算了?？紤]到鋼、鋁型材受荷后，截面未脫開(kāi)，二者有著共同的邊界約束條件，在正常受力情況下，變形在彈性范圍內(nèi)，因此二者各自沿自身截面中和軸產(chǎn)生撓曲，且，二者產(chǎn)生的撓度相等。所以： = 亦即，二者分配的荷載與其剛度成正比，于是有： ql=；qg=若以內(nèi)力的形式來(lái)表達(dá)，亦可寫(xiě)成如下的形式： Ml=；Mg= Nl=；Ng=其中：M， N-總彎矩，總軸力 圖 2Ml，Nl-鋁合金型材分配的彎矩，軸力Mg，Ng-鋼型材分

4、配的彎矩，軸力Al，Ag-鋁合金型材截面面積，鋼型材截面面積據(jù)此即可對(duì)疊合式截面桿件進(jìn)行設(shè)計(jì)了。三組合式截面桿件的設(shè)計(jì)：當(dāng)在鋁合金型材和鋼型材接合面處設(shè)置抗剪連接件，以約束在桿件受力變形時(shí)發(fā)生沿接合面的相互錯(cuò)動(dòng)，則二者相當(dāng)于一體一樣。如圖 3, 當(dāng)其在橫向力作用下受彎時(shí)，桿件將發(fā)生彎曲變形，受荷前在同一豎向截面內(nèi)的abcd，彎曲后截面雖然隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但仍然保持在同一平面內(nèi)?？梢?jiàn)，此時(shí)的受彎桿件，符合“平截面的假定”條件，因此，二者已不是分別沿自身截面中和軸產(chǎn)生撓曲，而是沿統(tǒng)一的中和軸產(chǎn)生撓曲了，故，應(yīng)該按組合截面進(jìn)行計(jì)算。1.組合截面幾何參數(shù)的計(jì)算：由于鋁合金型材和鋼型材的物理力學(xué)性能不同，

5、因此二者的組合不能是二者截面幾何圖形的簡(jiǎn)單的組合，而必須考慮二者彈性模量的不同。如圖 4所示截面，鋁合金型材和鋼型材有一共同的形心軸 y，則組合截面的形心必在此軸上。設(shè)鋁合金型材的截面積為Al0，對(duì)自身形心軸的慣性矩為Ilx0、 圖 3Ily0；鋼型材的截面積為Ag0，對(duì)自身形心軸的慣性矩為Igx0、Igy0。鋁合金型材和鋼型材彈性模量之比為 E= (1). 組合截面面積:當(dāng)按鋼、鋁分別換算時(shí)： Ag= Ag0+EAl0；Al= (2). 組合截面形心座標(biāo)：設(shè)其座標(biāo)為(x0,y0)，已知 圖 4x0=0, 現(xiàn)求y0。設(shè)鋼、鋁截面形心距為 h0，則組合截面形心至鋁截面形心的距離：當(dāng)按鋼、鋁分別換

6、算時(shí)： yg0=；yl0= (3). 組合截面慣性矩: 當(dāng)按鋼、鋁分別換算時(shí)： Igx =；Igy = Ilx= ；Ily =(4). 組合截面抵抗矩: 設(shè)鋁合金截面最外緣至組合截面形心軸的距離為hl，鋼截面最外緣至組合截面形心軸的距離為hg，則截面抵抗矩：當(dāng)按鋼、鋁分別換算時(shí)： Wgx=；Wlx=同理可求Wgy 、Wly。(5). 組合截面回轉(zhuǎn)半徑：當(dāng)按鋼、鋁分別換算時(shí)： rgx=；rlx=同理可求rgy 、rly。2. 組合截面的驗(yàn)算：在已知內(nèi)力和求得組合截面幾何參數(shù)后，便可按一般截面的驗(yàn)算方法一樣對(duì)組合截面進(jìn)行驗(yàn)算了。但，這里必須指出，對(duì)組合截面驗(yàn)算時(shí)，要針對(duì)鋁合金截面部分和鋼截面部分分

7、別進(jìn)行驗(yàn)算，且，各自驗(yàn)算時(shí)要用換算成各自材料的截面幾何參數(shù)。此外，由于鋁合金截面部分和鋼截面部分的局部壁厚可能均較薄，因此，截面的局部穩(wěn)定應(yīng)予驗(yàn)算，要分別控制在各自允許的寬厚比之內(nèi)。鋁合金截面允許的寬厚比：截面自由挑出部分：15截面雙邊支承板件：30鋼截面允許的寬厚比：截面自由挑出部分：截面雙邊支承板件：其中： 為鋼材的屈服點(diǎn)3. 抗剪連接件的計(jì)算：設(shè)鋁合金截面對(duì)組合截面形心軸的靜面矩為Slx，組合截面按鋁合金換算時(shí)的慣性矩為Ilx，鋼、鋁截面間抗剪連接件的縱向的距離為 l1, 同一截面處有 n個(gè)抗剪連接件，當(dāng)組合截面桿在驗(yàn)算段的剪力為 V時(shí)，則，每個(gè)抗剪連接件承受的剪力為1：V1=其中：要求：V1VH其中：VH- 抗剪連接件的設(shè)計(jì)承剪力對(duì)于沿桿件長(zhǎng)度剪力分布不等時(shí)，允許抗剪連接件按不等