冷轧钢材结构构件设计规范的历史演变

        1939年，由美国钢铁学会（AISI）出资，由康耐尔大学（Cornell University）的乔治·温特（George Winter）教授负责对薄壁冷轧钢材构件进行实验和设计理论研究。

 1946年，第一本薄壁冷轧钢材构件的容许应力设计（ASD）规范问世。

 1986年，美国钢铁学会（AISI）首次采用屈曲强度理论和允许应力设计（ASD）方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 1986）。笔者据此编写了《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算I》（ASD）。笔者在编写本书时，是采用Excel电子数据表进行计算的，即便这样，计算过程也是冗长和痛苦的。

 1996年，美国钢铁学会（AISI）首次采用荷载和抵抗系数设计（LRFD）方法编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 1996）。笔者据此编写了《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II》（LRFD）（未出版）。笔者在编写本书时，除了采用Excel电子数据表进行计算外，还采用了AISIWIN7.0程序进行验算。

 2004年，美国钢铁学会（AISI）首次采用直接强度方法（DSM）编制了《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI 2004）。笔者据此编写了本书《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算III》（DSM）。笔者在采用直接强度法编写本书时，使用的是有限条（有限元的一个变种）软件——CUFSM2.6b版，感觉真是幸福，太简单和容易了！CUFSM软件的版本升级速度太快了，笔者2006年初写这本书时，它是CUFSM2.5版，年中为CUFSM2.6b版，到2006年末，书稿快完成时的版本已经升到CUFSM3.11。

 记得在笔者大学快毕业的时候——即1981年底，各个工科院校都接获教育部紧急通知：所有工科院校学生在毕业前都要赶紧补上薄壳力学和有限元这二门课程，但由于当时的计算机还是电子管的，有二层楼高，根本就无法进行有限元计算，所以也只是从理论到理论，泛泛而谈的做点定性分析（有关有限元的历史，参见附录A）。

中国自20世纪50年代开始就对薄壁冷轧钢材构件进行研究。

 1969年颁布了《弯曲薄壁型钢结构技术规范》（草稿），1975年修订为《弯曲薄壁型钢结构技术规范》（TJ-18-75）试行，这个版本没有考虑屈曲强度理论。

 1987年颁布了国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GBJ 18-87），这个版本提及了屈曲强度理论，但没有给出具体的计算方法。

 2002年颁布了国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002），这个版本采用了屈曲强度理论，该标准设计理论严谨，设计方法简便，但由于考虑到国内薄壁冷轧钢材构件理论和实验研究不足，只能回避许多暂时还难以应付的难题，使得设计过程简化又简化，其结果就是设计数据偏于保守。

 最可怕的是《冷弯薄壁型钢结构技术规范》（GB50018-2002）设计公式中的物理含义模糊，准确性、可靠性和通用性不好。当然，任何事情都其二面性，有坏处就会有好处。实际上由于规范中设计公式的通用性不好，无法顾及不断涌现的新型截面的薄壁冷轧钢材构件。因为没有可靠实用的设计方法，或根本就无从下手，无法计算，所以很多结构工程师也就理所当然的干脆避开令人深恶痛绝的迭代计算（其实很多美国工程师也是这么干的），根本就不去管什么薄壁冷轧钢材构件截面特性大小如何，粗略估计一下就进行结构设计，最多是设计保守一点，用钢量偏大一点。

 在《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算I》（ASD）这二书出版之中和出版之后，从编辑到读者都向我提出了无数的疑问——这是吗玩意儿（即有效宽度迭代计算方法，以及很多屈曲强度和冷轧硬化强度运算符号），咱怎么从来都没有见过？看过这二本书的读者恐怕都深有体会，不要说自己去计算，就是能够从头到尾看下来，也是一件非常痛苦之事。

 当今的科学技术真是飞速发展（绝不仅仅是IT行业），很多中国结构工程师还没有开始尝试采用迭代法计算薄壁冷轧钢材构件的有效宽度，它就成了过眼烟云，马上就要转向直接强度方法了，读者们在本书中又要遇到很多以前在传统材料力学和结构力学中所没有遇见过的新概念和新名词了。

 即便是在美国，对于日常事务来说，许多结构工程师长期以来一直嘲笑冷轧钢材设计太复杂、迟钝、冗长乏味或深奥。不足为奇，冷轧钢材截面需要许多额外的计算，特别是和它们的双对称、紧凑、热轧钢材兄弟相比较时。然而，当问题为不对称截面时，就可以非常有效的利用薄壁冷轧钢材构件的局部屈曲效应，并且很值得结构工程师们去关注，以便节省钢材。

 美国钢铁学会（AISI）冷轧钢材结构构件规范的使用者深刻的感觉到当前设计计算的复杂棘手：通过坚持翻来覆去的迭代计算有效宽度方法，无止境的弹性屈曲计算，所有这一切只是为了得到简单的横截面特性。

 现在好了，有了一种新的设计方法：已经利用有限条方法，开发出直接强度方法，打算减轻当前计算的复杂性，使其容易计算，提供非常实用和灵活的设计程序，并且使其与有用的，公认的数字方法结合。

 结构工程师们终于逃过了多次迭代法计算有效宽度这一劫，现在可以幸福的直接迈入直接强度方法了。

 直接强度方法的使用需要，⑴确定构件的弹性屈曲行为，⑵利用一系列的最终强度曲线资料预测强度。这个方法的完成规范已经开发出来，并且在美国钢铁学会（AISI）规范委员会上讨论通过。在www.ce.jhu.edu/bschafer/direct_strength上可以找到全部详细资料。对于步骤⑴，已经做了充分的探究和概述，传统的手工解和数字解这二种示性分析方法，都可以用来准确计算弹性屈曲行为。部分利用AISI基金开发的免费可用程序：CUFSM（www.ce.jhu.edu/bschafer/cufsm），包括指南和范例都是可以用来帮助弹性屈曲计算。对于步骤⑵的强度预测，考虑了冷轧钢材梁和柱子的局部、扭曲和整体屈曲最终强度曲线，连同在ASD或LRFD格式里所用的适当的安全和抵抗系数一起都已经开发出来。

 还要按照当前的规范同样的数据和喜好去校核直接强度方法，并且因此不会降低它在应用方面与生俱来的可靠性。程序采用和有效宽度方法同样的基本经验假设：最终强度是弹性屈曲应力（或荷载）或材料的屈服应力（或荷载）的函数。针对梁和柱子的方法已经广泛的探究，而且已经开发出针对它的应用范围的规范术语。

直接强度方法设计的关键优势包括

日常设计改进：

• 没有针对强度的有效特性

• 没有要素计算

• 没有针对梁（腹板）的迭代

• 采用截面的总特性计算强度

理论改进：

• 考虑了局部屈曲里要素的交互作用（即腹板/边缘交互作用）

• 在设计程序里明确处理扭曲屈曲

• 部分的减少主要规范的系统错误

适用性和范围的改进：

• 与主要规范相比，适用于广泛的横截面组群

• 为先前没有涵盖的截面提供示性分析程序

• 允许和鼓励优化比较大的横截面

重要的哲学变化：

• 把数字方法和示性分析带入日常设计

• 把已经知道的行为结合进入到简单的设计程序里。

 直接强度方法还刚刚起步，还要继续研究或检查直接强度方法的开发。还要充分的示范和探索输入到直接强度方法里，确定弹性屈曲的有限条分析的应用。所以美国钢铁协会提供了这个完全免费使用的软件CUFSM，并允许任何结构工程师探究薄壁冷轧钢材构件屈曲行为的临界价值。

 目前CUFSM软件采用的是英制单位，因而本书也使用了很多英制单位。另外，目前CUFSM软件只计算到应力和弯矩（P_cr和M_cr），更进一步的应用计算（像AISIWIN软件计算和校核薄壁冷轧钢材构件的间距、支撑高度和跨度等）尚有待进一步开发，实际上，知道了应力和弯矩（P_cr和M_cr），再往下依靠手工计算也不困难了。

 希望有志于薄壁冷轧钢材构件的结构工程师、独立的学者、高等院校、科研院所，以及其它对薄壁冷轧钢材构件感兴趣的组织和个人都能够积极地加入这一新型研究领域，要迎头赶上，不要再等到以后再去奋起直追。