CN1229746C - 设计构件的方法 - Google Patents

Abstract

一种设计构件的方法，包括提供构件的多种参数及多个由其的支撑的多个负荷的数值，执行对所述构件上多个离散位置处对所述构件多个性质进行计算的分析步骤，及显示所述分析步骤的结果。

Description

设计构件的方法

技术领域

本发明涉及用于设计构件、特别是但不限于设计结构梁的方法。

背景技术

当设计或选择构件以实现所需的功能时，设计者必须考虑范围广泛的因素，例如构件所要承担的负荷，构件的尺寸，构件中是否提供开口及构件的成本。为优化所有相关的因素可能是一个冗长的过程。在这种构件中，可能希望提供一个或多个孔以允许作为建筑物维修通道并降低梁的重量。在一般包括腹板的构件中，这种孔可以在腹板中提供。

发明内容

本发明的目的是要提供设计构件一种新的或改进的方法。

为此，本发明提供了一种计算机实现的用于提供关于设计构件所用参数的计算机数据文件的方法，所述构件是具有由一个腹板连接的上凸缘和下凸缘的梁，所述腹板至少具有一个第一孔，用于承担建筑物维修，所述方法包括：(1)提供所述构件的多个参数的值，所述参数包括每个孔的参数，和由其要支撑的多个负荷；(2)执行分析的步骤，该步骤计算在沿所述构件纵向布置定位的所述构件的多个断面的所述构件的多个性质，其中所述多个断面中的一个包括所述孔，该步骤还确定所述多个断面中的哪一个具有所计算性质的最小可接受值；(3)显示所述分析步骤的结果；(4)如果分析步骤的结果表明梁可能断裂，则用修正的构件参数值重复步骤(1)和步骤(2)；以及(5)输出所述关于设计构件所用参数的计算机数据文件。

根据本发明的第一方面，提供了设计构件的一种方法，该方法包括提供构件的多个参数及由其要支撑的多个负荷的数值，包括进行的分析步骤，该步骤在所述构件上多个离散位置处计算所述构件多个性质，并显示所述分析步骤的结果。

其中构件要包括一个孔，所述参数的至少一个可以是所述孔的参数，且所述性质的至少一个可以是所述构件在所述孔处的性质。

该方法还可包括比较步骤，比较所述性质至少之一与预定的标准。

所述多个位置可包括位于沿所述构件纵向分布定位的所述构件多个断面。

该方法可包括显示步骤，显示其中所需的所述性质之一对所述预定的标准具有最大偏差值的断面。

该方法可包括改变一个或多个所述多个参数值的步骤，使得所述性质的值对所述预定标准的所述偏差被降低。

多个性质可以与对应的多个预定标准之一比较。

每一性质与对应的预定标准的所述比较可表示为归一因子，使得凡是所述归一因子大于1的地方所述性质是一失败模式。

所述构件可包括腹板及至少一个凸缘，且所述参数可包括腹板及凸缘的厚度与深度。

该方法可包括选择步骤，从对于所述参数和/或所述负荷的预定值的库，选择所述构件的所述参数和/或施加到所述构件的所述负荷至少之一。

该方法可包括这样的步骤，即对于每一离散的位置对多个性质计算归一值，并对于每一性质显示有最小可接受归一值的位置。

该方法可包括一输出阶段，提供包括构件参数的输出。

该方法还可包括根据所述输出制造构件的步骤。

输出可以是便携的或可传输的形式。

根据本发明的第二方面，提供了一种构件，其中所述构件通过根据本发明的第一方面的方法设计。

构件可包括板形金属。

构件可设有孔。

构件可包括复合梁。

根据本发明的第三方面，提供了用于执行根据本发明的第一方面的方法的计算机程序。

根据本发明的第四方面，提供了以根据本发明第三方面的程序被编程的计算机。

根据本发明的第五方面，提供了用于制造构件的制造装置，包括根据本发明第四方面的计算机和制造设备，其中从所述计算机向所述制造设备提供输出以控制所述制造设备。

根据本发明的第六方面，提供了制造构件的方法，包括向制造设备提供来自根据本发明第三方面的计算机程序的输出，以便控制所述制造设备。

传输来自计算机程序的输出的步骤可包括准备数据文件的步骤。

现在通过仅参照附图为例对本发明进行说明，其中

附图说明

图1a是构件第一例的侧视图，

图1b是构件第二例的侧视图，

图1c是构件第三例的侧视图，

图1d是构件第四例的侧视图，

图2是构件第五例的侧视图，

图3a是根据本发明方法的第一阶段的流程图，

图3b是根据本发明方法的第二阶段的流程图，及

图3c是根据本发明方法的第三阶段的流程图。

具体实施方式

在这例子中，根据本发明的方法要用于包含梁的构件。这种梁一般是水平方向配置的，以提供支撑地板或天花板的栅格部件。这种梁可包括复合梁，这是支撑混凝土板的至少一部分以形成地板的梁，且这种梁借助于容纳在所述混凝土板中的所述梁的上表面上的凸起成为所述板的关键支撑物。就梁的尺寸而言与其它形式可能作到的相比，这种结构允许梁设有更大的跨度或支撑更大的载荷。栅格一般包括通常称为主梁和次梁的许多这种梁。混凝土板负荷首先传到在主梁之间延伸的次梁，并因此再传到在例如支柱这样的适当的支撑物之间延伸的主梁。

如图所示，梁在其纵长的部分或整个上可以是棱柱形的或非棱柱形的。参见图1a，包括梁10的一构件表示为带有一服务性管道11。梁10有由腹板14连接的一上凸缘12和一下凸缘13。在腹板14中设有一般是关于梁的中点对称配置的一对伸长的孔15。上凸缘12和下凸缘13不是平行的而是有锥度的，朝向梁10的中点方向梁的深度增加。这种结构称为‘单锥形’。凸缘13的角度转变的点称为‘转变点’并在图中由X表示。腹板厚度的转变也称为‘转变点’。

图1b示出类似于图1a的梁的梁10，但设有其上凸缘12和下凸缘13一般是平行的端部10a，这称为‘曲折的锥形’。梁10还包括开在腹板14中的圆形孔16。

图1c示出具有其上凸缘与下凸缘一般为平行的中心部分10b的梁10，这是称为‘双锥形’的结构，其中关于梁10的中点一般对称地配置有一对矩形孔17。图1d示出类似于图1c的梁10，但设有类似于图1a的梁的样子的端部，并带有单个的孔17，称为‘鸥形翼’。

图2示出具有上凸缘21和下凸缘22的梁20，凸缘由设有多个圆形孔24的腹板23彼此连接。

图1a-1d，2中所示的梁10，20的结构不是唯有的，而只是简单地示例可自由选择设计者可用的梁的尺寸和形状。按需要梁可以是非对称的，弯曲的，锥形的或多面的。孔15，16，17一般所示是对称分布在梁上，但可以对称或以其它方式位于梁上任何所需的地方。

现在参见图3a到3c，根据本发明的方法的各步骤如流程图所示。该方法可分解为三个阶段，首先，如图3a所示的输入阶段，如图3b所示的分析阶段及如图3C所示的输出阶段。在本例子中，该方法设想由计算机程序和设计者执行。

在该方法的输入阶段，输入梁和负荷及梁的应用的相关参数。在步骤1.1，可以从预定的梁的类型库选择梁的类型，或者代替这种方式可由设计者提供定制的梁类型。

在步骤1.2到1.5，提供关于梁的尺寸和负荷的数据。在步骤1.2，确定梁是地板还是天花板梁，梁是否是内部梁还是边缘梁，梁所跨的距离及到每一侧相邻的梁的距离。然后提供由梁所支撑的板面的轮廓。又该轮廓可从预定的轮廓库中选择，或可以提供优选的轮廓参数。然后输入地板平面设计，包括板面的定向，位置及次梁的数目和梁的约束细节。然后输入要由梁支撑的混凝土板的细节，包括板的深度，板的成分及板中提供的钢筋网格的类型与等级。

在步骤1.6和1.7，输入要由建筑物承担的负荷的细节，包括强置的、工作的及风负荷，任何局部安全因素及自然频率与结构挠度的限制。

在步骤1.7，输入任何除了由地板平面设计所强置那些负荷以外的负荷与负荷细节，包括点负荷和均匀分布的负荷。这种输入能够通过显示典型的框架(bay)结构被确认。

如果要使用剪力接合器，在步骤1.8要输入数目和间隔。

在步骤1.9，1.10和1.11，提供梁的参数，特别是顶部和底部凸缘尺寸，腹板深度及厚度及梁中任何转变点的细节，同时有腹板中任何孔的数目、间隔和尺寸以及提供梁的任何加强杆。

这样，输入阶段允许设计者提供梁的形状，腹板开口，腹板加强杆，转变点之间梁的几何图形的细节及其它所需的参数。这种参数可从预定的形状或参数库中选择，或该方法在计算机程序上实现时，可由所述程序确定。

可以设想，该方法在计算机程序上或其它方式实现时，可提供适当的图形显示，以确认输入的参数。

一旦已经对这些参数提供了所需的值，这时就执行分析阶段。

现在参见图3b，分析阶段要求进一步的信息是关于梁是否是复合梁，及它是否被支撑及钢材的等级。这时在图3中的步骤2.2，2.3和2.4中进行对三个计算状态的检验。

步骤2.2是所谓“正常状态”，其中对按完工的建筑物状态下，即当梁形成为其一部分的结构完成时的梁的性质进行检验。对多个离散位置每一处的多个性质进行极限计算，在本例子中各离散断面在沿梁的纵长纵向间隔分布。各断面可以彼此是等距，或必要时可以是其它方式间隔开的。在步骤2.2，首先计算施加的负荷，然后计算四个主要的性质；

1)梁上的垂直剪力和挠矩，

2)挠矩和垂直剪力的相互作用

3)梁的横向扭转弯曲，及

4)混凝土纵向剪阻力。

可计算的进一步的性质包括任何必须的横向加强筋及焊口(weldthroat)厚度。

所计算的值与预定的标准比较，并对于具有性质的最小可接受计算值的离散断面计算归一值。

对于给定的性质归一值是一指示对于给定的性质所计算的值是否满足预定标准的小于一的值。如果归一值大于1，这指示模式是失败的，即所计算的值不满足预定的标准。一个为1的值表明性质的值刚好满足预定标准，而小于一则表明性质的值比足以满足标准要大。实际上，设计的优化要求每个归一值小于但接近1。可通过对计算值与构件中实际的力的比值进行而计算出归一值。

在梁包括有不同锥形的相邻断面时，要计算与在两个这种断面之间接合处或附近的腹板和凸缘的稳定性相关的性质。这些性质包括：

1)最大转变角，即两个断面之间锥形角的最大差，

2)腹板压曲抗力，及

3)腹板承压强度。

对于腹板压曲抗力及腹板承压强度，计算值与预定的值比较，并对于该性质具有最小可接受计算值的离散断面计算归一值。

在腹板设有一个或多个孔的情形下，本例子中在孔周围多个点进行进一步的计算。

使用这些计算的结果，对于的每一个以下性质计算每一表示失败模式的归一值；

1)修改垂直剪力的计算，

2)垂直剪力和挠矩的相互作用，

3)空腹(弗伦第尔)梁负荷量，

4)腹板屈曲负荷量，及

5)腹板柱水平剪力。

在分析阶段后来的步骤2.3中，对于当梁处于其本来状态但没有例如来自地板的负荷时的状态，检验梁的性质的所谓‘构建状态’。要检验以下的性质；

1)在没有混凝土板情形下挠矩和垂直剪力的相互作用，

2)梁的横向扭转弯曲。

在腹板中设有孔时，如以上步骤2.2那样对于通过孔或每一孔的中心线的断面计算以下性质；

1)修改垂直剪力的计算，

2)垂直剪力和挠矩的相互作用，

3)空腹梁(弗伦第尔)负荷量，

4)腹板屈曲负荷量，及

5)腹板柱水平剪力。

又对每一性质的计算值与预定的标准进行比较，并对于该性质具有最小可接受计算值的离散断面计算归一值。

在这分析阶段的步骤2.4，即“适用性状态”，计算以下性质。

1)混凝土压缩应力

2)钢材张应力

3)钢材压缩应力

4)梁振动的自然频率

如同以上步骤2.2将2.3中那样，对于这些性质的每一个计算归一值。

在适用性状态中，还可对梁的挠度进行检验。在构建状态下挠度检验可包括当在被支撑或非被支撑时梁的自重挠度。在正常状态下，基于复合梁的性质可计算因施加载荷或叠加载荷的挠度，并进行总挠度检验。本例子中的挠度检验不产生归一值，而是与由设计者提供的预定标准，例如梁的最大可接受总挠度，进行比较。本例子中，挠度检验是可选的，并可由设计者选择或省略任何或所有挠度检验。

在显示步骤2.5，对于该性质具有最小可接受计算值离散断面，与对应于归一值的‘标准值，或其它与对应的标准比较的指示，或对于该性质适当计算的值’，一同显示每一性质。

如果在步骤2.6步骤值是可接受的，设计者进到进到该方法的阶段3。在如步骤2.7归一值超过1的情形下，在相关断面对于该性质的值是危险的，因而很可能导致梁的破坏。这样显示的该信息提请设计者注意这时的梁是有缺陷的。然后设计者可以修改参数值(步骤2.7A)，并在输入步骤1.1提供修改的参数。

然后设计者返回输入阶段据此修改梁的细节。

然而，当归一因子显著低于1(步骤2.8)时，这指出对于所要加的载荷梁是过设计的。降低梁的重量，成本等，可望增加归一因子趋近1，同时保持低于1，这样就优化了设计。这样显示的信息允许设计者快速识别出梁的哪些断面设计上能够被优化，并据此修改梁的参数(步骤2.8A)。被修改的参数值在步骤1.10输入。

修改梁的参数及检查计算的归一因子的过程能够反复进行，直到在步骤2.6临界因子是可接受的，即归一因子全部在1以下但充分接近1，以至设计被充分优化，于是方法进到输出阶段。

在输出阶段，如图3c所示，细节在步骤3.1被输出，例如通过保存到数据文件，或以任何其它所需的格式。当梁的参数被输出时，参数可作为例如以标准格式被打印的文挡提供，或作为适当格式的计算机数据文件提供，例如在计算机盘磁带或任何其它介质，或显示在屏幕上，或以任何所需的形式。可以设想，这种数据文件例如可以通过电子邮件传送到客户和/或梁的制造者。在步骤3.2，过程对所有需要进行设计的梁重复。最后，在步骤3.3，当对于所有的梁所需的参数都确定了时，可能是在这一阶段，可对梁的设计、提供和制造成本的与供应者接触，或者可以据此从预定的梁的类型库指示并选择最接近的匹配。

当达到了适当的最终设计时，可根据设计对构件的成本进行计算，准备制造图，或对制造设备进行控制以便按设计制造构件。这种制造设备例如可包括切割装置，以便切割钢金属提供所需的腹板部件和/或凸缘部件，并可进而在腹板部件中切割孔。另外制造设备可进而包括焊接装置，以便结合腹板部件和凸缘部件以形成梁。这种设备在我们的共同未决申请No.GB9926197.6.公开。当然，按需要可使用任何适当的制造设备。在使用计算机程序执行该方法时，可提供计算机作为包括所述制造设备的制造装置的一部分。

在库中提供多种标准的梁参数作为程序的一部分，这使得某些或所有梁的参数无需由设计者提供，于是进一步加速了设计过程。

这里所述及以下更为详细讨论的分析阶段，提供了比已知的方法更为严格的振动分析。对于比先前已知的技术，例如有限元分析和弹性分析程序，梁在预定断面的性质的计算提供了分析阶段的更快速的实现。

分析阶段的详细讨论

步骤2.2正常状态

使用混凝土的干密度并添加梁和盖板的重量，在输入阶段除了均匀分布的负荷及特别附加的负荷之外，还计算自重负荷。

断面剪力检查：

当只检查断面剪力时，忽略混凝土板的作用而计算剪力容量。因而必须参照BS5950：Part 1 cl.4.2.3(剪力屈服阻力)及cl.4.4.5(剪力屈曲阻力)。当d/t超过63ε(其中ε＝√{275/p_y})时，断面腹板被分级为薄型。这种情形下，软件使用在BS 5950中提出过程：Part 1(Annex H2)“使用张力场作用剪力屈曲阻力”。

临界位置在左手支撑物，其中这种情形下腹板不是薄的，剪力屈服容量计算为：P_v＝0.6p_yA_v。

剪力连接度

剪力连接度定义为装设的剪力连接件数目与完全相互作用所必须的连接件数目之间的比值。这是根据BS5950：Part 3 cl.5.4.4.1：N_p＝F_p/Q_p计算的，其中Q_p是正力矩区(BS5950：Part 3 cl.5.4.3-a)中的剪力连接件容量，F_p是在最大正力矩点混凝土凸缘中的纵向压缩力。它取作为Ap_y与0.45f_cu乘以有效横断面内混凝土面积的较小的。

由于BS5950：Part 3没有函盖非对称梁的情形，剪力连接最小度要根据EC4 cl.6.1.2计算。对于跨度5和25m之间相等的凸缘梁建议：N_a/N_p≥0.25+0.03L。

挠矩与垂直剪力的相互作用：

垂直剪力容量：

在与挠矩相互作用的情形下，已经允许混凝土板对断面剪力容量的作用。这是根据对于冲剪的规则BS5950：Part 4计算的。

在腹板不是薄板时，由于屈服而发生失效，并根据BS5950：Part 1cl.4.2.3计算剪力容量。

使混凝土应力乘以混凝土断面的有效面积计算混凝土的剪力容量。其深度等于板的净厚度，而其宽度等于梁的每一侧钢制顶部凸缘幅宽加上1.5倍凸缘净深度。

挠矩容量：

纵向剪阻力R_q(在BS5950：Part 1 Appendix B2中定义)用来定义在压缩d_c(D_s-D_p)R_q/R_c中的混凝土深度。在对于局部剪力相互作用计算复合断面的弯曲容量中它代替板的净深度(D_s-D_p)。

在单支撑的梁中，根据BS5950：Part 3 cl.4.6计算中间跨度的有效宽度。由于梁是被简单支撑的，零力矩点之间的距离等于梁的宽度，因而B_eff＝2L/8。有效宽度已假设沿梁的深度线性变化，且其值在支撑处为零。

BS5950 Appendix B提供了对于有等凸缘断面计算塑性弯矩容量的公式范围。这一软件已使用更为通用的方程式，在非对称断面的情形下也是有效的。

在施加低剪力相互作用的情形下，不需要降低挠矩容量。

在输出步骤“完全输出”中，提供了计算每一断面力矩和剪力容量所必须的相关数据。

纵向剪力阻力检验：

根据BS5950：Part 3 cl.5.6进行纵向剪力连接件检验。根据cl.5.6.2计算设计每单位长度纵向剪力。它是由能够由每一组间柱传送的纵向力与每一组之间的间距的比值给出的。为了考虑能够由混凝土凸缘耐受的实际最大的纵向剪应力，纵向剪应力按对于实际剪力连接度对力矩容量施加的因子力矩的量降低。实际上，认为剪应力是对力矩比值成比例而变化的。对于复合板，纵向剪力是沿平行于梁的方向位于最小板深度的位置的垂直平面临界的，因而每一平面上的归一力为：v＝(M_sd/M_c)NQ/2_s

其中N是一组中剪力连接件的数目。

Q是根据cl.5.4.3剪力连接件的容量，根据cl.5.4.7对嵌入复合板的情形而修改。

s是间柱的最小间距。

为了允许接近梁位置的搭接的可能性，在计算对剪力连接件线分裂的阻力(即横向增强检验)忽略了盖板的作用(根据cl.5.6.4)。

在计算每单位长度混凝土剪力面积中，使用了板的最小净深。只是混凝土凸缘的纵向剪力容量根据cl.5.6.3：v_r≤0.8ηA_cv√f_cv计算。

横向增强筋检验：

这种情形下，没有使用对于设计纵向剪力的降低因子。混凝土和网格的横向阻力根据cl.5.6.3：v_r＝0.7A_svf_y+0.03ηA_cvf_cu计算。由于这小于纵向剪力，必须要根据A_vs’＝(v-v_r)/0.7f_y确定的附加增强筋。

附加的增强筋的截面积作为mm²/m输出。这一增强筋在整个梁是连续的。

焊接设计：

使用以下三个标准较保守的一个计算焊口的厚度：

i)耐受间柱剪力流的焊口厚度

ii)耐受力矩剪力流的焊口厚度

iii)对应于腹板屈服容量的80％的焊口厚度

间柱剪力流是按最小间距划分的剪力连接件的容量。程序在其中进行所有检验的51个断面的每一个中计算力矩剪力流，并在输出中提供临界位置。临界剪力流通过底部凸缘中的张应力乘以面积给出。，所考虑的构件的每一侧上的张应力，作为屈服应力乘以对于在对应的位置处的组合的挠矩和剪力的归一因子而计算。因而采用以下的公式：v＝(uf_iA_bi-uf_i-1A_bi-1)p_y/s。在“全输出”中，提供在所有51的断面处归一因子。在支撑位置，构件的LHS上的应力为零。对应于805腹板屈服容量的焊口厚度为a＝0.80.6p_yt_w/0.7p_w。每单位长度的焊接力v是间柱剪力流与力矩剪力流之间的最大值。焊接尺寸由方程式：a＝v/0.7p_w确定。

在转变点处的局部检验：

对于在锥形转变处的腹板和凸缘的稳定性进行局部检验。在这些位置处，进行以下检验：

凸缘断开

由于凸缘力的方向改变所至的凸缘横向弯曲所引起。还提供最大转变角度并由以下公式计算之：sinα’＝4t_f(1-UF_b ²)/(B.UF_b)，其中

B是底部凸缘的宽度

UF_b是对于锥形转变发生处的断面弯曲的归一因子。

如果这一值被超过，在转变点处需要全深度的加强杆。

腹板压曲抗力

由锥形转变点处的凸缘力的垂直分量引起。使用根据BS5950：Part1 cl.4.5.2修改的支杆方法计算。因而屈曲容量计算为P_w＝n₁t_wP_c

其中：n₁是假设45°散布计算的等价支杆的宽度。

t_wmit是腹板的最小厚度

P_c是对应于BS5950：Part 1 Table 4.14中的屈曲曲线c屈曲应力。它与细长度λ＝h_eff/r_y相关

r_y是旋转半径(＝t/√12)

h_eff是支杆件的有效长度。它取为0.85乘以腹板的深度，该值是在BS5950：Part 1 Table 4.12中对于两端局部被约束的支杆建议的。

如果计算的归一因子不超过1.0，则这一失败模式不是临界的。

腹板承压强度

由对于屈曲相同的力引起。这种情形下由于凸缘的弯曲假设较大的散布。腹板的承压容量计算为P_w＝n₂t_wp_yw其中：

n₂是取为7倍凸缘厚度的承压长度

t_wmin是腹板的最小厚度

p_yw是腹板的屈服应力

如果计算的归一因子不超过1.0，则这一失败模式不是临界的。

步骤2.3构建立状态

挠矩与垂直剪力的相互作用

垂直剪力容量：

在构建状态中，必须参照BS5950：Part 1 cl.4.2.3(抗剪屈服强度)和cl.4.4.5(抗剪力屈曲强度)。当d/t超过63ε(ε＝√{275/p_y})时，断面腹板是薄型的。

在腹板不是薄的时，剪力屈服容量计算为：P_v＝0.6p_vA_v。由于施加的剪力不超过0.6P_v，不考虑挠矩与垂直剪力之间的相互作用。在构建状态中剪力阻力不是临界的。

挠矩容量：

根据BS5950：Part 1 cl.4.2.5计算挠矩容量。进行检验的51个断面的每一个根据BS5950：Part 1 Table 3，4被分级。其中凸缘，凸起和腹板为类型1(塑性)，因为满足以下的标准：B/T≤8ε，d/t_w≤8θε/(1+r₁)，力矩容量是M_c＝p_yS_x，S_x是钢材断面的塑性模量。

在“全输出”中，提供计算每一断面中力矩和剪力容量所必须的相关数据。

横向扭曲检验：

横向扭曲检验根据BS5950：Part 1 cl.4.5进行。次梁连接到主梁的腹板。它们提供中间约束。它们传递的负荷不会摇动。在两个次梁之间的每一跨度中检验主梁的横向扭曲，并假设有效长度等于次梁之间的间隔。

每一跨度中的设计力矩(M_bar)是在跨度中施加的最大力矩(M_max)乘以等价力矩因子m。在BS5950：Part 1(2000草稿)，Table 4，4中，这一因子是作为最大挠矩及它在约束之间的跨度内三个等距点达到的值的函数而计算的。等于锥形梁，挠矩值应当由在压缩凸缘中存在的对应的应力替代。因而m因子由以下给出：

$m=\frac{{0.2\mathrm{\σ}}_{\max }+0.1{\mathrm{\σ}}_2+0.5{\mathrm{\σ}}_3+0.15{\mathrm{\σ}}_4}{{\mathrm{\σ}}_{\max }}$

根据cl.4.3.6.5计算压曲抗力力矩。当在临界位置时断面是类别1，M_b：p_bS_x。根据BS5950 Part 1：2000的Appendix B.2.1使用最大弯曲力矩位置的断面的性质计算抗挠强度(参见Appendix B.2.5)。它是根据cl.4.3.6.7和Appendix B.2.3已经计算的等价细长度λ_LT的函数。

步骤2.4适用性状态

梁如果其挠度和自然频率不超过推荐的极限并如果避免了不可逆应力，则在其适用性状态上是合格的。挠度和应力都是在非因子化(unfactored)负荷下计算的(BS5950：Part 3 cl.2.4.1)。挠度极限取决于应用，并由用户输入。

挠度检验

建构状态：结构未被支撑的自重挠度，由于梁和混凝土板的自重所至的挠度基于钢梁的性质的。

正常状态：由于施加的负荷和叠加的固定负荷是基于复合梁性质计算的。

在局部剪力连接情形下，在适用性负荷下的位移能够根据BS5950：Part 3 cl.6.4.1计算，这包括由于作为N_a/N_p的函数的剪力连接件的滑动的作用：

δ＝δ_c+0.3(1-N_a/N_p)(δ_s-δ_c)

其中

δ_s是对于相同负荷裸梁的挠度

δ_c是对于相同负荷全剪力相互作用情形的复合梁的挠度

BS5950 Appendix B.3提供了特定的公式，对于带有相等凸缘的非破裂断面计算区域的第二力矩。这一软件已使用了更一般的方程式，也适用于非对称断面的情形。

因施加的复合所至的挠度：

BS5950：Part 3参照Part 1(cl.2.4.2)介绍了有关挠度极限值。BS5950 Part 1 Table 2.8提供了只在梁被施加负荷的情形下的这些值。典型的极限对于内部梁为跨度/360，及对于支撑诸如砖墙这样的覆盖层的边缘梁为跨度/500。

因叠加的固定负荷所至的挠度：

这些挠度是基于复合梁性质计算的，并允许它们作总挠度检验。

总挠度检验：

总挠度极限要留给设计者选择，因为各种选择都是可能的，包括决定对梁预成拱，或在构建期间对其支撑。对于带有上举的凸缘或悬挂天花板的梁，跨度/200的挠度极限常被使用，但是在所有的情形下，推荐挠度不超过75mm。在梁暴露在外观的情形下，挠度极限应当为跨度/250。

振动检验

在计算动态惯性中，模比例已经被简化以表示弹性的动态模量，其为0.9倍静态模量。使用简化的方法进行振动检验。自然频率(Hz)为f＝18/√y₀，其中y₀是复合梁对于自重负荷、叠加负荷、及10％设计施加负荷的最大位移，所有负荷都施加到复合断面。对于办公室应用自然频率的下限是4Hz。

应力检验：

在适用性状态下的应力检验根据BS5950：Part 3 cl.2.4.3和6.2进行。顶部和底部凸缘中的应力为σ_top＝(M_sd/I_xx)y_e及σ_b＝(M_sd/I_xx)(h-y_e)。在建构状态下由于梁和混凝土板自重所至的应力基于钢梁的性质。在正常状态下，使用复合断面性质。

钢梁末端纤维中的应力不应超过设计强度p_y，混凝土板中的应力不应超过5.0f_cu。

对应力进行控制以便屈服不会使挠度无效，并在重复复合下，没有永久挠度。

应力检验在实际设计的情形很少是临界的。

对于非支撑构建混凝土检验不是临界的，但是对于支撑的构建可能是临界的。

在步骤2.2和2.3在开口处进行的附加检验

腹板分级：

在围绕开口四个不同位置进行腹板分级。存在塑性铰链可能出现在空腹梁弯曲失败模型中的点。如果易弯曲腹板至少是等级2，使用塑性能够计算空腹弯曲容量，否则必须使用弹性模量。当满足以下标准时，每一腹板至少是等级2：d_eff≤9tε或1≤40tε

其中：d_eff＝d_t√{1-(40t_effε/l)²}，ε＝√{275/p_y}

这里d_eff是易弯曲腹板的有效深度

t是腹板的厚度

l是开口的有效长度(详细请参见弗伦第尔容量)

d_c腹板凸缘深度以下的腹板深度

t_eff是腹板的有效刚度(详细请参见整体力矩容量)

有效宽度(b_eff)：

根据BS5950：Part 3 cl.4.6：B_eff＝x/2计算任何位置处的有效宽度。已假设有效宽度沿梁按离开支撑物的距离x线性变化。

压缩中的混凝土的深度(d_c)：

纵向抗剪力强度R_q(在BS5950：Part 1 Appendix B2中定义)用来定义压缩中的混凝土深度d_c＝(D_s-D_p)R_q/R_c。在对于局部剪力相互作用计算复合断面的弯曲容量中它代替板的净深度(D_s-D_p)。

弹性中性轴位置(Y_c)，塑性中性轴位置(Y_p)，力矩(I_xx)，弹性模量(Z_cZ_tZ_b)及塑性模量(S_x)：

这些性质是从基本原理计算的，并对应于开口中心线处简化的断面的性质。

开口处的总检验

垂直剪力检验：

在每一开口的中心线进行垂直剪力检验。剪力容量是通过对顶部和底部腹板抗力加混凝土作用求合给出的。混凝土作用是根据对于冲剪的规则BS5950：Part 4计算的。因而垂直剪力容量为：

P_vy＝P_vw+P_vc其中P_vw＝0.6p_y0.9(A_top，v+A_bot，v)

                P_vc＝V_c.(D_s-D`<sub>p</sub>)[B<sub>t</sub>+3.(D<sub>s</sub>-D`_p)]

因子0.9考虑到断面内非均匀性剪力流，钢材的剪力强度为0.6p₁，A_top，v与A_bot，v是顶部个底部腹板的剪力面积(忽略凸缘面积)。D`_p是对于当盖板方向平行于梁时的情形板的等价深度。

计算每一位置的归一因子，这由施加作用于断面的剪力与对应的剪力容量的比值给出。如果归一因子超过1.0，该断面使垂直剪力检验失败。

整体力矩容量

使用断面的塑性计算开口位置的的力矩容量。因而这由以下方程式提供M_c＝S_xp_y。使用许剪力与弯曲力矩相互作用的有效厚度t_eff计算断面的性质。这由以下公式计算：

t_eff＝t[1-((2V_o/V_w)-1)²]对于V_o/V_w≥0.5

弗伦第尔容量：

弗伦第尔弯曲是由于剪力通过开口转移所至在梁的顶部和底部T形件出现的局部弯曲效应。如果满足以下不等式则这这失败模式不是临界的：

V_ol≥∑M_vred+M_vc

其中：

V_o是在开口的中心线施加的剪力

l是是开口的有效长度。对于矩形开口，它等于其实际长度。对于圆形开口，它等于其直径0.5倍。对于伸长的开口，它取为开口的长度减去其深度0.5倍

M_vred是每一临界断面的由剪力拉伸力T的存在而简化的弗伦第尔抗弯曲力。它由以下公式计算：

M_vred＝M_v[1-(T/T_y)²]

T_y是腹板凸缘T形断面的抗拉力

M_v是断面的弗伦第尔抗弯曲力。它使用与腹板等级有关的弹性或塑性计算。为了考虑剪力与挠矩之间的相互作用，定义如下计算的腹板的有效厚度：

t_eff＝t.[1-((2V_o/P_vw)-1)²]对于V_o/V_w≥0.5

P_vw腹板凸缘T形断面抗剪力

M_vc是因腹板凸缘T形顶部与被连接的板局部复合作用所至的弗伦第尔阻力。其计算如下：

M_vc＝NQ_p(D_s+y_t)

N是在长度(l+D_d)中剪力连接件的数目

Q_p是单个剪力连接件的容量

D_s是板的深度

Y_t是顶部T形区中心对钢梁的顶部凸缘的距离

腹板屈曲检验

使用修改的支杆方法检验腹板在每一开口边缘的屈曲容量。与开口相邻构件上的轴向力是由顶部T形件阻挡的剪力。屈曲容量计算如下：

P_w＝d_eff.t.p_c

其中：d_eff是如下计算的支杆的有效宽度：

d_eff＝min[0.5d_o.0.25s_o.eff]

s_o.eff是腹板柱的有效宽度。它取决于其实际宽度(s_o)值并取决于开口的形状。其计算如下：

s_o.eff＝s_o对于矩形开口

s_o.eff＝s_o+0.5d_o对于圆形或伸长的开口

s_o是腹板柱的宽度

p_c是对应于BS5950：Part 1 Table 4，14中的屈曲曲线c屈曲应力。它与细长度λ＝h_eff/r相关，

r_y是旋转半径(＝t/√12)

h_eff是支杆件的有效长度。对于矩形开口它等于其深度。对于圆形开口，它取为0.7倍开口的深度。

如果对于对称开口V_t＝V_o/2满足以下不等式：V_t≤P_w，则这失败模式不是临界的。

腹板柱中的水平剪力：

该程序只当两个相邻的开口比2.5d_o，max更近时才进行这种检验，其中d_o，max是较大的开口的直径。每一腹板支柱中形成的水平剪力是由于对应的的相邻T形中轴向力变化所至。因而使用以下公式计算从顶部腹板支柱平衡计算该剪力：

V_h＝V_t(S_o+0.5d_o，i+0.5d_o，i+1)/h_top

其中：V₁是在断面处作用于顶部T形断面的整体剪力的部分

h_top是腹板支柱宽度中点与顶部T形断面中轴向力的有效作用线之间的距离。

d_o，id_o，i+1是两个相邻开口的深度

通过以下方程式获得腹板支柱的剪力容量：P_h＝0.6p_y.t(0.9s_o)。因子0.9考虑到非均匀剪力流。如果满足以下不等式：V_h≤P_h，则手模式不是临界的。

明显的是，可按需要提供或计算任何其它参数或性质。

本说明书中“包括”意思是指“包含或由…组成”，且“包括”意思是指“包含或由…组成”。

在以上说明、或以下权利要求、或附图中，以其特定形式表示的或借助于执行所公开的功能的装置中公开的特征，或用于获得所公开的结果的方法或过程，可适当地分开地或以这些特征任意的组合用来以按它们的各种形式实现本发明。

Claims (12)

1.一种计算机实现的用于提供关于设计构件所用参数的计算机数据文件的方法，所述构件是具有由一个腹板连接的上凸缘和下凸缘的梁，所述腹板至少具有一个第一孔，用于承担建筑物维修，所述方法包括：

(1)提供所述构件的多个参数的值和所述孔的多个参数的值，其中一些参数是孔的参数，和由孔所在的构件要支撑的多个负荷；

(2)执行分析的步骤，该步骤计算在沿所述构件纵向布置定位的所述构件的多个断面的所述构件的多个性质，其中所述多个断面中的一个包括所述孔，该步骤还确定所述多个断面中的哪一个具有所计算性质的最小可接受值；

(3)显示所述分析步骤的结果；

(4)如果分析步骤的结果表明梁可能断裂，则用修正的构件参数值重复步骤(1)和步骤(2)；以及

(5)输出所述关于设计构件所用参数的计算机数据文件。

2.根据权利要求1的方法，其中确定所述多个断面中的哪一个具有最小可接受值，包括比较所述性质至少之一与预定的标准。

3.根据权利要求2的方法，其中显示结果包括显示这样一个断面，在所述断面中所述性质其中之一具有对所述预定的标准具有最大偏差的值。

4.根据权利要求3的方法，其中重复步骤(1)和(2)包括改变所述多个参数的一个或多个的值，使得所述性质的值与所述预定标准的所述偏差减小。

5.根据权利要求1到4中任何一个的方法，其中将多个性质与多个预定标准中的对应的一个进行比较。

6.根据权利要求1到4中任何一个的方法，其中将性质的每个值与一个对应的预定标准进行的比较过程表示成归一因子，使得在所述归一因子大于1之处，所述性质的值不满足所述预定标准。

7.根据权利要求1到4中任何一个的方法，其中所述参数包括腹板和凸缘的厚度和深度。

8.根据权利要求1到4中任何一个的方法，包括从所述参数和/或所述负荷的预定值的库中，选择所述构件和/或所述施加到所述构件的所述负荷至少之一。

9.根据权利要求1到4中任何一个的方法，包括计算每个断面的多个性质的归一因子，并且对于每一性质显示具有最小可接受归一值的位置。

10.根据权利要求1到4中任何一个的方法，还包括根据所述计算机数据文件中的参数制造构件的步骤。

11.根据权利要求1的方法，其中所述计算机数据文件以可移植或可传输的形式提供。

12.一种制造构件的方法，所述构件是具有由一个腹板连接的上凸缘和下凸缘的梁，所述腹板至少具有一个第一孔，用于在建筑维修中使用，所述方法包括：

生成关于根据权利要求1的方法设计构件所用的参数的计算机数据文件；

将所述计算机数据文件提供给制造设备；以及

使用所述计算机数据文件控制制造设备，以便根据设计构件所用的参数制造所述构件。

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