低层轻钢骨架住宅设计 ——工程计算II（2）
前言
钢结构建筑的材料是逐步的从铸铁转向了铸钢、锻钢和热轧钢材，再进一步向冷轧钢材（也称为轻规格钢材）方向发展。
20世纪90年代以后，冷轧钢材住宅已经风靡全球。
20世纪90年代初，中国大连、深圳和北京等城市都分别从美国引进了的冷轧钢材骨架住宅。
早在1998年，建设部相关部门就开始着手编制冷轧钢材住宅技术标准。
冷轧钢材住宅与我们所熟悉的“梁柱”建筑结构体系和“秦砖汉瓦”建筑围护体系有着截然不同的力学和结构特性。如果不加以区分，而把二者混为一谈，就会使结构设计无比复杂，而且还要浪费大量的建筑材料和费用。
有鉴于此，笔者编著了《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算》和《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II》（本书）。
《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算》是采用允许应力设计（ASD）计算的。
《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II》（本书）是采用荷载和抵抗系数设计（LRFD）计算的，全书分三个部分，共十三章。
第一章简单介绍了冷轧钢结构设计规范的历史演变。
第二章简单介绍了科学、艺术与宗教的关系，以及材料力学的最新发展
第一部分（第三章~第七章）是注释，包含背景资料、补充资料和工程假定。讲述了轻规格钢结构住宅的应用和特点，目的是使读者对冷轧钢材住宅有一个全面而系统的认识，并能够与传统的“梁柱”建筑结构体系住宅区分开来。
第二部分（第八章~第十三章）是设计范例，包含详细的计算，示范2001年颁布，2004年勘误的《冷轧钢骨架标准——一和二个家庭住所说明性方法》里的数值是如何得到的。讲述了冷轧钢材住宅的荷载与结构设计方法。该部分内容与读者熟悉的“梁柱”建筑结构体系中的荷载与结构设计方法有着很大的区别，在设计中没有简单的计算每根构件所承受的荷载和荷载在单根构件上所产生的效果，而是考虑了冷轧钢材构件的冷作硬化（或屈曲后）强度和构件组合在一起的“重复与复合作用”。
在牛顿力学（F=ma）中，构件的重复与复合作用等于单个重复与复合作用构件作用乘以重复与复合作用构件的数量，即：
∑an=na
在“系统静力学”中，构件的重复与复合作用大于单个重复与复合作用构件作用乘以重复与复合作用构件的数量，即：
∑an＞na
或 ∑an=Crna
式中：
∑an——代表构件的重复与复合作用；
n——代表重复与复合作用构件的数量；
a——a代表单个重复与复合作用构件作用；
Cr——Cr=1.59，构件重复与复合作用系数；
注意：只有教小学生的四则运算才是1+1=2，而在现实世界中，1+1＞2的现象比比皆是。不但建筑结构中有“重复与复合作用”，我们还可以在现实世界中列举出很多“重复与复合作用”的例子，例如，城市人口积聚效应，由于社会成员的专业生产，分工合作和市场交易，以及其它一些目前还不甚清楚的原因，即便大城市和众多小城镇的总人口数量一样多，但大城市的总生产能力总是大大高于众多小城镇加到一起的生产能力之和；连锁超市的赢利能力也大大高于同等数量的自主经营的小杂货店的赢利总和。
有关“系统静力学”中“重复与复合作用”的详细介绍，笔者可以参阅笔者所著的《轻（木或钢）骨架住宅结构设计》一书。
第三部分是设计范例。为了说明问题，设计范例还把各种计算方法的结果列入表格进行了对比，即使不熟悉冷轧钢材构件设计的技术人员，也能够清楚的看出各种计算方法之间的精度和差异。
附录C是把过梁计算能力与试验能力进行对比，进一步说明了冷轧钢材住宅里组合在一起的构件有着“重复与复合作用”。
笔者已经根据美国钢铁协会《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986）编著了《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算》一书、并在此书的理论基础上编著了《低层轻钢骨架住宅设计、制造与装配》和《轻钢骨架住宅》这二本书，这二本书详细介绍了2000年颁布的《住宅冷轧钢骨架说明性方法》。
但《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1986）只考虑了冷轧钢材构件的冷作硬化（或屈曲后）强度σya，没有考虑构件组合在一起的“重复与复合作用”。而且《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算》是基于允许应力设计（ASD），其设计公式或性能函数为：
R/Ω≥L
式中：
R——名义抵抗（设计）应力；
Ω——安全系数（R/Ω也称为允许应力），在允许应力设计（ASD）中，安全富裕就等于安全系数；
L——由名义设计荷载组合引起的荷载效果（单位与R一样）。
在《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1999）里，不仅考虑了冷轧钢材构件的冷作硬化（或屈曲后）强度σya，而且还考虑了构件组合在一起的“重复与复合作用”。而且《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II》是基于荷载和抵抗系数设计（LRFD），其设计公式或性能函数为：
ΦR≥∑rL
式中：
R——名义抵抗（设计）应力；
Φ——抵抗系数，在荷载和抵抗系数设计（LRFD）中，安全富裕（或安全系数）等于∑rL/ΦL（≈r平均/Φ，通常，r平均=1.2~1.6），其中，r为给定荷载组合里的每个荷载的荷载系数，∑rL为荷载和抵抗系数设计（LRFD）荷载组合，L为允许应力设计（ASD）荷载组合；
r——在给定荷载组合里的每个荷载的荷载系数；
L——在名义设计荷载组合里的每个荷载所产生的应力（单位与R一样）。
按照允许应力设计（ASD）时，经常取安全系数Ω=1.67，对应于荷载和抵抗系数设计（LRFD），抵抗系数Φb=∑rL/ΩL（≈r平均/Ω，通常，r平均=1.2~1.6）。当r平均等于1.52时，Φb≈r平均/Ω=1.52/1.67=0.91，与Φb=0.95相比，要多消耗大量的钢材和劳动力，因而《低层轻钢骨架住宅设计——工程计算》、《低层轻钢骨架住宅设计、制造与装配》、《轻钢骨架住宅》和2000年颁布的《住宅冷轧钢骨架说明性方法》等书籍和标准还是相当保守的。
按照荷载和抵抗系数设计（LRFD）时，考虑到构件重复与复合作用，经常取Φb=0.95，当r平均等于1.52时，安全系数Ω=∑rL/ΦL≈r平均/Φ=1.52/0.95=1.60，与Ω=1.67相比，安全系数Ω减少了0.07（=167-1.60），因而可以节省大量的钢材和劳动力。
本书就是根据美国钢铁协会《冷轧钢材结构构件设计规范》（AISI，1999）编著的，2001年颁布，2004年勘误的《冷轧钢骨架标准——一和二个家庭住所说明性方法》就是根据本书所介绍的设计理论编制的，笔者将在后续书籍中再对其加以详细介绍。
可以预见，在不断加深理解冷轧钢骨架的系统行为和继续开发新的技术过程中，本书所介绍的内容最终也会变得过时。但笔者会尽可能及时的追踪国际冷轧钢骨架技术的最新进展，并不断的更新本书所涉及的内容。
丁成章
本书与2006年2月28日成稿
2018年11月作了简单修订