钢铝组合截面杆件的设计

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1、钢铝组合截面杆件的设计　　简介：钢铝组合截面是工程中经常应用的一种截面形式。本文对钢铝组合截面的截面特性计算以及截面验算进行简略的介绍。关键字：钢铝组合截面钢铝叠合截面　　一．引言　　在幕墙支承结构和铝合金门窗骨架设计中，为了节省铝合金用量、降低成本，往往采用钢、铝组合截面的杆件，外露部分采用铝合金型材，隐蔽部分亦即主要受力部分采用钢型材，这样，即达到了外表美观靓丽、截面小巧而承载能力高、造价又低廉的目的。另外，在幕墙加固工程中，钢铝组合截面也时有应用。　　钢、铝组合截面的形式，一般常用的不外乎如图1所示的两种。其中a所示的是将钢型材川入铝合金型材的腔内；而b所示是钢、铝合金型材并列，二者截

2、面一般有一个共同的对称轴。　　图1　　对于这两种截面形式，视钢、铝型材的组合方式，又可分为叠合式和组合式两种。所谓叠合式，即钢、铝型材之间不加连接，仅仅从构造上能保证二者同时受力即可；而组合式和叠合式不同，它是在钢、铝型材之间用物理的或化学的方法将二者紧密相连的组合形式。由于这两种截面的组合方式不同，所以在受力后的表现也不同，设计计算方法也完全不同，下面分别予以介绍。　　二．叠合式截面杆件的设计　　如图2所示叠合式截面杆，当其在横向力作用下受弯时，杆件将发生弯曲变形。由于钢、铝型材之间不加连接，因此，在二者接触面间无任何约束，当杆件发生弯曲变形时，在接触面间，二者会产生相互错动，受荷前在同一

3、竖向截面内的abcd亦不在同一截面了，可见，此时的受弯杆件，已不符合“平截面的假定”条件，因此，二者已不能按一体进行计算了。　　考虑到钢、铝型材受荷后，截面未脱开，二者有着共同的边界约束条件，在正常受力情况下，变形在弹性范围内，因此二者各自沿自身截面中和轴产生挠曲，且，二者产生的挠度相等。所以：　　图2　　=　　亦即，二者分配的荷载与其刚度成正比，于是有：　　ql=；qg=　　若以内力的形式来表达，亦可写成如下的形式：　　Ml=；Mg=　　Nl=；Ng=　　其中：M，N-----总弯矩，总轴力　　Ml，Nl-----铝合金型材分配的弯矩，轴力　　Mg，Ng-----钢型材分配的弯矩，轴力　　

4、Al，Ag-----铝合金型材截面面积，钢型材截面面积　　据此即可对叠合式截面杆件进行设计了。　　三．组合式截面杆件的设计：　　当在铝合金型材和钢型材接合面处设置抗剪连接件，以约束在杆件受力变形时发生沿接合面的相互错动，则二者相当于一体一样。如图3,当其在横向力作用下受弯时，杆件将发生弯曲变形，受荷前在同一竖向截面内的abcd，弯曲后截面虽然随之发生偏转，但仍然保持在同一平面内。可见，此时的受弯杆件，符合“平截面的假定”条件，因此，二者已不是分别沿自身截面中和轴产生挠曲，而是沿统一的中和轴产生挠曲了，故，应该按组合截面进行计算。　　图3　　1.组合截面几何参数的计算：　　图4　　由于铝合金型

5、材和钢型材的物理力学性能不同，因此二者的组合不能是二者截面几何图形的简单的组合，而必须考虑二者弹性模量的不同。如图4所示截面，铝合金型材和钢型材有一共同的形心轴y，则组合截面的形心必在此轴上。设铝合金型材的截面积为Al0，对自身形心轴的惯性矩为Ilx0、Ily0；钢型材的截面积为Ag0，对自身形心轴的惯性矩为Igx0、Igy0。铝合金型材和钢型材弹性模量之比为　　αE=　　(1).组合截面面积:　　当按钢、铝分别换算时：　　Ag=Ag0+αEAl0；Al=　　(2).组合截面形心座标：设其座标为(x0,y0)，已知　　x0=0,现求y0。设钢、铝截面形心距为h0，则组合截面形心至铝截面形心的

6、距离：　　当按钢、铝分别换算时：　　yg0=；yl0=　　(3).组合截面惯性矩:　　当按钢、铝分别换算时：　　Igx=；Igy=　　Ilx=；Ily=　　(4).组合截面抵抗矩:设铝合金截面最外缘至组合截面形心轴的距离为hl，钢截面最外缘至组合截面形心轴的距离为hg，则截面抵抗矩：　　当按钢、铝分别换算时：　　Wgx=；Wlx=　　同理可求Wgy、Wly。　　(5).组合截面回转半径：　　当按钢、铝分别换算时：　　rgx=；rlx=　　同理可求rgy、rly。　　2.组合截面的验算：在已知内力和求得组合截面几何参数后，便可按一般截面的验算方法一样对组合截面进行验算了。但，这里必须指出，对组

7、合截面验算时，要针对铝合金截面部分和钢截面部分分别进行验算，且，各自验算时要用换算成各自材料的截面几何参数。　　此外，由于铝合金截面部分和钢截面部分的局部壁厚可能均较薄，因此，截面的局部稳定应予验算，要分别控制在各自允许的宽厚比之内。　　铝合金截面允许的宽厚比：　　截面自由挑出部分：≤15　　截面双边支承板件：≤30　　钢截面允许的宽厚比：　　截面自由挑出部分：≤　　截面双边支承板件：≤　　其中：为钢材的屈服