冷轧钢构架设计指南

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1、冷轧钢构架设计指南设计指南 CF02-12002 年一月冷轧钢结构构件设计规范委员会美国钢铁学会冷轧钢构架设计指南设计指南 CF02-12002 年一月冷轧钢结构构件设计规范委员会美国钢铁学会纽约，17 号街，1101华盛顿 20036本书的设计指南是在美国钢铁学会对冷轧钢结构构件设计规范的基础上的进一步阐述。该指南的发展是由美国钢铁学会赞助。美国钢铁学会规范委员会想对本书的作者，即 T.W.J Trestain 结构工程的 Thomas Trestain 先生表示谢意。预计对冷轧钢行为进一步的理解和新科技的持续发展，这种材料也许会过期。有可能美国钢铁学会会试着更新这个指南，但并不能保证一定有

2、。此间包括的材料的发表并不意味着是美国钢铁学会的代表或是授权，也不代表里面提到的任何一个人的观点。这里的材料只是为基本信息所用。这些信息不是专业建议的代替。若将这些信息的应用于特定工程，则必须经专业注册工程师过目。本书不对任何使用本书信息的人极其使用结果负责。第一次印刷-2002 年一月版权 2002，美国钢铁学会冷轧钢构架设计指南前言这次发表旨在为建筑的冷轧钢构架结构的设计者提供一个指南。冷轧钢构架产品包括柱子，托梁，椽，桁架以及各项支撑和连接成分。它们可以是独立的截面到现场再建造，或是拼在一起成为墙，地板或是屋顶的预组装结构。在这个发表中呈现的材料为读者提供的是基本信息。当这材料技术上被认

3、为是正确的，并且与发表当时公认的优良实践相一致，在任何所给出与其适用性相对应的应用中如果没有第一项安全能力建议的话是不应该使用的。无论是美国钢铁学会及其成员还是 T.W.J Trestain 结构工程都不保证此材料的大众或是个别使用，也不为其负责。指南范围和目的这个指南是用来协助实习结构工程师设计冷轧钢构架结构。指南是基于其相似的文献，轻钢构架手册-1991，这手册由加拿大钣金建筑学会出版。指南对基础建筑法则进行了回顾，同时附有许多详细的设计示例，涵盖了风向轴承和轴向荷载轴承柱墙和托梁。设计示例是基于美国钢铁学会对冷轧钢结构构件的规范的 1996 年版本，并且显示了如何将冷轧钢制造设计文献中的

4、可用信息翻译成完整的结构体系。设计示例显示了两种连接方式，螺丝和焊接，但重点放在焊接上。这个侧重只是仅做说明的目的，实际上螺丝结构更为普遍。同时也包括了普遍使用的混凝土螺栓和自钻螺丝的有用信息。指南建议了很多处理设计问题的方法，并且这些方法在美国钢铁学会规范中是没有包括的。这些方法包括对轨道中扭弯力进行检查的合理方法，还有检查在轴向荷载轴承柱墙组件底导轨的轴承应力的大致方法，以及检查风向轴承应用的内外顶部导轨组件的强度和刚度的方法。此指南通篇使用了通用的冷轧钢构架构件指示系统。这个产品辨别方法在附录 1 有描述。另外信息来源还有很多其他对冷轧纲构架设计有用的文献资源。它们或许是列在以下网站上，

5、或许在以下网站上可以找得到：美国钢铁学会 www.steel.org钢柱制造协会 轻规格钢协会 冷轧钢结构中心 www.umr.edu/ccfss北美钢构架联盟 未涵盖项一些项目虽然在时间中很普遍，但是并未包括在指南中。 设计示例并不包括动力（低速）扣件。具体看介绍部分 4.3.2 的进一步讨论。 针对风向轴承柱的设计示例，使用内外顶端导轨弯曲详图代替了更普遍的单顶端导轨详图。感谢美国钢铁学会感谢加拿大多伦多 T.W.J Trestain 结构工程的 Thomas Trestain 先生为此次出版准备工作做出的贡献。Trestain 先生在设计和搭建冷轧钢构架方面经验丰富，并且是冷轧钢结构设计

6、规范美国钢铁学会委员会和其他自发行业委员会的当届委员。与此同时，也非常感谢钢柱制造协会的贡献。钢柱制造协会在出版之前提供了它们一般的柱和托梁荷载表格，而这些表格被广泛应用于这篇指南。这个指南的发展同时有受到了Dietrich 设计集团公司的 Greg Ralph 和 Ray Wager 的大力协助，他们自愿提供了指南的制图。很多工程师为这个工程提供了他们的专业知识。Devco 工程的 Rob Madsen 制作了钢柱制造协会一般荷载表，并提供了西海岸表格和行业实践的很多有用的解释。钢铁网架的 Ed DiGirolamo 和 Matsen Ford 设计协会的 John Matsen 的东部实践

7、亦非常有帮助。另外，McCavour 工程的 Scot McCavour 提供了他个人的建议，并附有他们其中一份内部明细（数据 3-18） 。最后，美国钢铁学会规范委员会附属委员会 4，柱和打孔成分的会员回顾之后提供了很多有思想性的评论，而这些思想的实行大大地改进了个指南。目录表介绍1设计指南重点2. 荷载和抗力设计与容许应力设计3. 荷载3.1 风力，地震力和重力额定荷载3.2 荷载混合因素4. 冷轧钢构架成分设计强度4.1 成分设计强度4.2 作为支撑功能的成分设计强度4.2.1 风向轴承柱支撑4.2.2 轴向荷载轴承柱支撑4.2.3 托梁和椽支撑4.3 连接的设计强度4.3.1 焊接4.

8、3.2 螺丝4.3.3 混凝土螺栓和扣件4.3.4 动力（低速）扣件5. 可供选择的合理分析与测验参考设计示例#1 用螺丝连接风向轴承填料墙与覆盖物设计步骤介绍步骤 1前提步骤 2 设计风力荷载步骤 3 典型柱选择步骤 4 底部和内部端导轨步骤 5 窗户构架截面步骤 5（a）铝竖框荷载步骤 5（b）底槛和过梁导轨设计步骤 5（c）旁柱设计步骤 5（d）旁柱选择步骤 6 最终柱和导轨构件选择步骤 7 外部顶端导轨步骤 8 连接设计步骤 8（a）剪刀撑步骤 8（b）柱与底部连接步骤 8（c）柱与顶端导轨连接步骤 8（d）组合旁柱连接步骤 8（e）组合窗过梁连接步骤 8（f）底槛导轨与旁柱连接步骤

9、8（g）组合过梁与旁柱连接步骤 8（h）底导轨与混凝土连接步骤 8（i）顶端导轨与混凝土连接步骤 8（j）顶端导轨与嵌入平面连接参考设计示例#2 用焊接连接风向轴承填料墙与无覆盖物设计步骤介绍步骤 1典型柱设计步骤 1（a） 检查试验柱的扭弯力步骤 1（b）检查试验柱的横向不稳定性步骤 2过穿孔剪刀撑设计步骤 2（a） 剪刀撑导轨设计步骤 2（b） 剪刀撑焊接连接步骤 2（c） 剪刀撑螺丝连接步骤 3检查底导轨的横向不稳定性步骤 4修正旁柱步骤 5各种焊接连接设计步骤 5（a）窗过梁连接步骤 5（b）柱与顶端导轨或是底导轨的连接步骤 5（c）底槛与旁柱的连接步骤 5（d）窗过梁与旁柱的连接步骤

10、 6对焊接连接的概论步骤 7剪力墙详图步骤 8胸墙步骤 8（a） 为胸墙选择典型悬臂柱步骤 8（b） 典型悬臂柱的扭弯应力步骤 8（c） 为胸墙选择悬臂组合旁柱步骤 8（d） 柱到屋顶板连接设计步骤 8（e） 窗过梁参考设计示例#3 带有带窗的风力轴承墙介绍步骤 1前提步骤 2设计风力荷载步骤 3设计地震荷载步骤 4可供选择的设计步骤步骤 4（a）冲压窗户路径（设计可互换#1）步骤 4（b）冷轧钢竖框（设计可互换#2）步骤 4（c）悬臂过梁和底槛（设计可互换#3）步骤 4（d）结构外部表面的柱（设计可互换#4）步骤 5典型柱设计步骤 5（a）风力荷载步骤 5（b）地震力荷载步骤 6典型导轨步骤

11、 7典型柱连接步骤 7（a）位于风力荷载下的 B 的横向支撑连接步骤 7（b）位于地震力荷载下的 B 的横向支撑连接步骤 7（c）位于静荷载和风力荷载下的 C 的直立和横向支撑，连接的主体步骤 7（d）位于静荷载和地震力荷载下的 C 的直立和横向支撑，连接的主体步骤 7（e）位于静荷载和风力荷载下的 C 的直立和横向支撑，柱焊接的角钢步骤 7（f）位于静荷载和地震力荷载下的 C 的直立和横向支撑，柱焊接的角钢步骤 7（g）位于静荷载和风力荷载下的 C 的直立和横向支撑，柱到混凝土填塞（结构钢）焊缝角钢步骤 7（h）位于静荷载和地震力荷载下的 C 的直立和横向支撑，柱到混凝土填塞（结构钢）焊缝角

12、钢步骤 8柱填料步骤 9可供选择的商店使用涂层详图参考设计示例#4 冷轧钢构架地板和轴向轴承柱墙介绍步骤 1前提步骤 2楼层托梁选择步骤 3楼层托梁剪刀撑步骤 4楼层托梁腹板固件步骤 5托梁到腹板固件焊接步骤 6封闭轨道步骤 6（a） 截面尺寸步骤 6（b） 焊接步骤 7典型柱步骤 7（a） 检查折弯度步骤 7（b） 轴向荷载能力步骤 8旁柱步骤 9导轨选择步骤 10过梁步骤 10（a）弯矩强度（重力荷载）步骤 10（b）内部腹板曲弯（重力荷载）步骤 10（c）混合腹板曲弯和弯曲（重力荷载）步骤 10（d）混合弯曲和剪力（重力荷载）步骤 10（e）折弯（重力荷载）步骤 10（f）导轨到托梁连接

13、（重力荷载）步骤 10（g）组合过梁到旁柱连接步骤 11剪刀撑步骤 11（a）外加荷载步骤 11（b）设计强度步骤 11（c）相互检查步骤 12剪刀撑点步骤 12（a）平拉带 X 支撑步骤 12（b）位于双柱固定点的剪刀撑扣角钢步骤 13柱焊接连接的典型剪刀撑步骤 13（a）剪刀撑轨道和剪刀撑扣角钢焊接步骤 13（b）剪刀撑扣角钢和柱焊接参考附录 A自钻螺丝和焊接的设计价值附录 B混凝土锚固的设计价值附录 C 计算扭弯应力的大致简化方法附录 D外部顶端导轨灵活度公式附录 E内部顶端导轨做为梁位于弹性地基上附录 F在导轨和轴向荷载轴承柱的混凝土之间的轴承应力分布附录 G决定焊接连接中应力的一般方

14、法附录 H没有唇缘的相等腿角简化保守设计方法附录 I产品辨别介绍设计指南重点这个设计指南的重点放在有关冷轧钢建筑的冷轧钢设计的基本原则上。指南显示了在实行建筑结构的设计时如何使用由冷轧钢构架制造商出版的厂商产品资料。把重点放在基础上是必要的，因为冷轧钢构架的多种多样注定了单一的设计指南基本上是不可能的。通过遵循所提供的示例，设计者应当获得必需的信心来实践他自己的设计，并认识到在冷轧钢设计中并无神秘可言。所有其他建筑材料适用的基础结构设计原则同样也适用于冷轧钢构架。美国钢铁学会对冷轧钢结构构件的设计规范的知识，虽然是需要的，却不是必需的。注重于规范的那些部分的示例需要设计者的注意。大部分的工作在

15、冷轧钢构架制造商准备厂商产品资料阶段已经完成了，包括截面特性和荷载计算，并全制成表格的形式。在这个设计指南中，示例准备的详图要比一般设计需求的更多。带着经验，设计者学习可以忽略二次效应并使设计过程流水化。另外，示例并不打算排除另外的设计方法和详图。还有很多其他令人满意的方式来设计冷轧钢构架结构。荷载和抗力因素设计与容许应力设计美国钢铁学会规范容许两种不同的设计方法，容许应力设计或是荷载和抗力因素设计。两种设计都是可以接受的，但是冷轧钢构架行业几乎一直只使用容许应力设计。为了与此实践相对应，这个设计指南是基于容许应力设计的基础上的。荷载3.1 风力，地震力和重力额定荷载这个设计指南并不试着用各种

16、建筑代码去解释风力和重力荷载系数。相反地，假定了额定设计风力和重力荷载。3.2 荷载混合因素查阅美国钢铁学会规范 A5 部分注意冷轧钢构架行业将容许应力设计风力荷载当成是与美国钢铁学会规范相一致来对待的。关于决定强度，当混合荷载由可应用代码指定或是当规范包括风力和地震力时，美国钢铁学会规范 A5.1.3 容许施力可以增加 75%。但是，当检查折弯度时，使用了完整的风力和地震荷载。4.冷轧钢构架成分的设计强度4.1 构件设计强度构件承载力表现为力矩，剪力和腹板折弯设计强度和用来检查折弯度的惯量力矩，基本都可以在制造商的产品资料中找到。产品资料一般也包括风力，轴向荷载轴承柱和屋顶和楼层托梁的荷载表格。这个指南中的容许跨度，荷载和截面特性引用自钢柱制造协会一般荷载表格，使用了下