钢铝组合截面杆件的设计方法

1.引言
在幕墙支撑结构和铝合金门窗骨架的设计中，为了节省铝合金用量，降低成本，常采用钢铝组合截面的构件，外露部分采用铝合金型材，隐蔽部分即主要受力部分采用钢型材。这样就达到了外形美观、截面小、承载力高、成本低的目的。此外，在幕墙加固工程中，钢铝复合型材也时有使用。
一般来说，钢铝复合型材的形式无非两种，如图1所示。a表示钢型材引入到铝合金型材的型腔中；b表示钢和铝合金型材是并列的，它们的横截面一般有一个共同的对称轴。
根据钢铝型材的组合方式，这两种截面可以分为叠加式和组合式两种。所谓叠加式，即钢铝型材不连接，只有结构能保证同时受力；组合类型不同于叠加类型。它是钢和铝型材通过物理或化学方法紧密连接的组合型。由于这两个截面的组合不同，受力后的性能也不同，设计计算方法也完全不同，下面分别介绍。
二。层压型材的设计
在侧向力的作用下弯曲时，杆件会发生弯曲变形。因为钢和铝型材之间没有连接，所以它们的接触面之间没有约束(忽略摩擦)。当杆件弯曲变形时，两接触面之间会出现相互错位，加载前在同一垂直截面上的abcd不在同一截面上。可以看出，此时的弯杆不满足“平截面假设”条件，所以两者不能再作为一个整体来计算。
考虑到钢型材和铝型材的截面在加载后不分离，它们有一个共同的边界约束条件。在法向应力下，变形在弹性范围内，所以它们各自沿自己的截面和轴线偏转，它们产生的挠度相等。所以:
即它们所分配的载荷与它们的刚度成正比，所以有:
QL =；如果q =
用内力的形式表示，也可以写成这样:
ml =；mg =
Nl =；Ng=
其中:m，n-总弯矩，总轴力
Ml，nl-铝合金型材分布的弯矩，轴力
Mg，ng-钢型材分布的弯矩，轴力
。
三。组合截面杆件的设计:
当在铝合金型材和钢型材的结合面设置剪力连接件，以约束杆件受力变形时沿结合面的相互错位时，两部分等效为一个。如图3所示，当它在侧向力的作用下弯曲时，杆件会弯曲变形。加载前同一垂直截面上的abcd，虽然弯曲后的截面发生偏转，但仍保持在同一平面上。可以看出，此时的受弯构件符合“平截面假定”条件，因此，这两个构件并没有沿各自截面的中性轴屈曲，而是沿统一的中性轴屈曲，故应按组合截面计算。
1。组合截面几何参数的计算:
由于铝合金型材和钢型材的物理力学性能不同，两者的组合不能是其截面几何图形的简单组合，而必须考虑两者弹性模量的差异。如图4所示，铝合金型材和钢型材的截面有一个共同的形心轴Y，所以组合截面的形心一定在这个轴上。设铝合金型材的横截面积为Al0，其自身质心的惯性矩为Ilx0和Ily0；钢型材的横截面积为Ag0，对其形心的惯性矩为Igx0和Igy0。铝合金型材与钢型材的弹性模量之比
αE=
(1)。钢和铝换算时的组合截面积:
Ag = Ag0+αeal 0；Al=
(2)。复合截面形心坐标:设其坐标为(x0，y0)，已知
x0=0，现在求y0。如果钢和铝截面的形心距离为h0，则组合截面形心到铝截面形心的距离:
分别按钢和铝换算时:
YG0 =；yl0=