鋼鋁組合截面桿件的設計

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簡介： 鋼鋁組合截面是工程中經(jīng)常應用的一種截面形式。本文對鋼鋁組合截面的截面特性計算以及截面驗算進行簡略的介紹。
關(guān)鍵字：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計中，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，即達到了外表美觀靚麗、截面小巧而承載能力高、造價又低廉的目的。另外，在幕墻加固工程中，鋼鋁組合截面也時有應用。

　　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共同的對稱軸。

　　
圖1

　　對于這兩種截面形式，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，設計計算方法也完全不同，下面分別予以介紹。

　　二．疊合式截面桿件的設計

　　如圖 2所示疊合式截面桿，當其在橫向力作用下受彎時，桿件將發(fā)生彎曲變形。由于鋼、鋁型材之間不加連接，因此，在二者接觸面間無任何約束（忽略摩擦），當桿件發(fā)生彎曲變形時，在接觸面間，二者會產(chǎn)生相互錯動，受荷前在同一豎向截面內(nèi)的abcd亦不在同一截面了，可見，此時的受彎桿件，已不符合“平截面的假定”條件，因此，二者已不能按一體進行計算了。

　　考慮到鋼、鋁型材受荷后，截面未脫開，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：

　　

圖2

　　=

　　亦即，二者分配的荷載與其剛度成正比，于是有：

　　q_l=；q_g=

　　若以內(nèi)力的形式來表達，亦可寫成如下的形式：

　　M_l=；M_g=

　　N_l=；N_g=

　　其中：M， N-----總彎矩，總軸力

　　M_l，N_l-----鋁合金型材分配的彎矩，軸力

　　M_g，N_g-----鋼型材分配的彎矩，軸力

　　A_l，A_g-----鋁合金型材截面面積，鋼型材截面面積

　　據(jù)此即可對疊合式截面桿件進行設計了。

　　三．組合式截面桿件的設計：

　　當在鋁合金型材和鋼型材接合面處設置抗剪連接件，以約束在桿件受力變形時發(fā)生沿接合面的相互錯動，則二者相當于一體一樣。如圖 3, 當其在橫向力作用下受彎時，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)?？梢姡藭r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，應該按組合截面進行計算。

　　

圖3

　　1.組合截面幾何參數(shù)的計算：

　　
圖4

　　由于鋁合金型材和鋼型材的物理力學性能不同，因此二者的組合不能是二者截面幾何圖形的簡單的組合，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。設鋁合金型材的截面積為A_l0，對自身形心軸的慣性矩為I_lx0、I_ly0；鋼型材的截面積為A_g0，對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

　　α_E=

　　(1). 組合截面面積:

　　當按鋼、鋁分別換算時：

　　A_g= A_g0+α_EA_l0；A_l=

　　(2). 組合截面形心座標：設其座標為(x₀,y₀)，已知

　　x₀=0, 現(xiàn)求y₀。設鋼、鋁截面形心距為 h0，則組合截面形心至鋁截面形心的距離：

　　當按鋼、鋁分別換算時：

　　y_g0=；y_l0=

　　(3). 組合截面慣性矩:

　　當按鋼、鋁分別換算時：

　　I_gx =；I_gy =

　　I_lx= ；I_ly =

　　(4). 組合截面抵抗矩: 設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：

　　當按鋼、鋁分別換算時：

　　W_gx=；W_lx=

　　同理可求W_gy、W_ly。

　　(5). 組合截面回轉(zhuǎn)半徑：

　　當按鋼、鋁分別換算時：

　　r_gx=；r_lx=

　　同理可求r_gy、r_ly。

　　2. 組合截面的驗算：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算方法一樣對組合截面進行驗算了。但，這里必須指出，對組合截面驗算時，要針對鋁合金截面部分和鋼截面部分分別進行驗算，且，各自驗算時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)定應予驗算，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

　　3. 抗剪連接件的計算：設鋁合金截面對組合截面形心軸的靜面矩為Slx，組合截面按鋁合金換算時的慣性矩為I_lx，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個抗剪連接件，當組合截面桿在驗算段的剪力為 V時，則，每個抗剪連接件承受的剪力為［1］：

　　V₁=

　　其中：

　　要求：V₁≤[V_H]

　　其中：[V_H]------ 抗剪連接件的設計承剪力

　　對于沿桿件長度剪力分布不等時，允許抗剪連接件按不等距布置。

　　這里特別指出，由于鋼鋁的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度發(fā)生變化時，抗剪連接件要承受很

　　大的溫度應力，因此對于環(huán)境溫度變化較大的場合應慎用。

　　參考資料：

　　1.單輝祖等主編.《材料力學》.第二版.國防工業(yè)出版社.1986年6月.188頁