钢铝组合截面杆件的设计

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

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（忽略摩擦），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：

　　q_l=；q_g=

　　若以内力的形式来表达，亦可写成如下的形式：

　　M_l=；M_g=

　　N_l=；N_g=

　　其中：M， N-----总弯矩，总轴力

　　M_l，N_l-----铝合金型材分配的弯矩，轴力

　　M_g，N_g-----钢型材分配的弯矩，轴力

　　A_l，A_g-----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A_l0，对自身形心轴的惯性矩为I_lx0、I_ly0；钢型材的截面积为A_g0，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

　　α_E=

　　(1). 组合截面面积:

　　当按钢、铝分别换算时：

　　A_g= A_g0+α_EA_l0；A_l=

　　(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距离：

　　当按钢、铝分别换算时：

　　y_g0=；y_l0=

　　(3). 组合截面惯性矩:

　　当按钢、铝分别换算时：

　　I_gx =；I_gy =

　　I_lx= ；I_ly =

　　(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：

　　W_gx=；W_lx=

　　同理可求W_gy、W_ly。

　　(5). 组合截面回转半径：

　　当按钢、铝分别换算时：

　　r_gx=；r_lx=

　　同理可求r_gy、r_ly。

　　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： 为钢材的屈服点

　　3. 抗剪连接件的计算：设铝合金截面对组合截面形心轴的静面矩为Slx，组合截面按铝合金换算时的惯性矩为I_lx，钢、铝截面间抗剪连接件的纵向的距离为 l₁, 同一截面处有 n个抗剪连接件，当组合截面杆在验算段的剪力为 V时，则，每个抗剪连接件承受的剪力为［1］：

　　V₁=

　　其中：

　　要求：V₁≤[V_H]

　　其中：[V_H]------ 抗剪连接件的设计承剪力

　　对于沿杆件长度剪力分布不等时，允许抗剪连接件按不等距布置。

　　这里特别指出，由于钢铝的热膨胀系数不同，在温度发生变化时，抗剪连接件要承受很

　　大的温度应力，因此对于环境温度变化较大的场合应慎用。

　　参考资料：

　　1.单辉祖等主编.《材料力学》.第二版.国防工业出版社.1986年6月.188页