4.3 设计指标

4.3.1、4.3.2 本条遵照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009和《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的规定，铝合金强度设计值根据强度标准值除以抗力分项系数求得，其中抗力分项系数根据以概率理论为基础的极限状态设计方法确定。
    考虑到目前铝合金材料力学性能指标的统计资料尚不充分，且大部分经过热处理和冷加工硬化处理后的合金材料强屈比较低，破坏时极限伸长率较小，安全储备普遍低于钢材，在计算铝合金结构构件的抗力分项系数时目标可靠指标参照钢结构构件承载能力极限状态并相应提高一个等级，按β＝3.7采用。
    按文献《建筑结构概率极限状态设计》（李继华等，中国建筑工业出版社，1990），采用概率方法计算时，极限状态方程为：

    式中 
    R ——结构抗力；
    S_G——恒载效应；
    S_Q——可变荷载效应（可为楼面活载效应S_L或风荷载效应S_W等）。
    影响结构构件抗力 R 的因素主要有：材料性能的不确定性Ω_m，几何参数的不确定性Ω_a，计算模式的不确定性Ω_p。其中：
    1 材料性能的不确定性。主要取决于：
    1) 试件的材料性能，按试件实测数据采用；
    2) 构件材料性能与试件材料性能的差异。根据本规范编制组提供的1042根6061-T6合金试件以及来自日本的28根5083-H112合金试件的拉伸试验结果，经分析后得出其材性统计参数为：
    合金6061-T6：μ_Ωm＝1.0738，δ_Ωm＝0.0992；
    合金5083-H112：μ_Ωm＝1.2985，δ_Ωm＝0.1374。
    2 几何参数的不确定性。主要取决于现有型材的生产工艺水平；由于缺乏充分的统计资料，计算中主要参考《铝合金建筑型材》GB/T 5237对截面尺寸允许偏差要求，按普通级标准，取方管和H形两种型材计算截面几何参数统计特性，得μ_Ωa＝1.00，δ_Ωa＝0.05。
    3 计算模式的不确定性。考虑到铝合金结构计算理论与钢结构计算理论的近似性，计算模式Ω_p的统计特性可取：
    轴心受拉：μ_Ωp＝1.05，δ_Ωp＝0.07；
    轴心受压：μ_Ωp＝1.03，δ_Ωp＝0.07；
    偏心受压：μ_Ωp＝1.12，δ_Ωp＝0.10。
    综合上述三种主要因素，挤压铝合金构件抗力的统计参数可按下式计算：
    抗力均值：μ_R＝μ_Ωp·μ_Ωm·μ_Ωa
    抗力变异系数： 
    由此计算得到的不同材料、不同受力状态下的抗力统计特性见表4所示。

表4 铝合金构件抗力统计特性

    作用效应 S 的统计参数参照现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001，设计基准期为50年，表5列出了部分调整后的常见荷载统计参数。

表5 荷载统计参数

    结构计算中，恒＋活是基本荷载组合。目标可靠指标主要是在分析G＋L（办），G＋L（住）和G＋W三种荷载效应组合的基础上经优化方法确定的；其中G表示恒载，L表示活载，W表示风荷载。由于办公楼和住宅活荷载的统计参数不同，所以分开考虑。表6列出了采用优选法按不同合金牌号、不同受力状态计算的抗力分项系数弧。计算中考虑了G＋L（办），G＋L(住)和G＋W三种荷载效应组合，荷载效应比值取ρ＝S_QK/S_GK＝0.25,0.5,1.0,2.0四种情况。

表6 抗力分项系数γ_R

    考虑到铝合金材性实验的统计数据有限，为安全起见，统一取铝合金结构构件的抗力分项系数γ_R为1.2。
    考虑到在计算局部强度时计算模式不确定性的变异性更大，并且目标可靠指标也应适当提高，偏于安全地取抗力分项系数γ_R为1.3。
4.3.3 现行国家标准给出的各牌号及状态下铝合金板材、带材、棒材、挤压型材（管材）、拉制管材的材料强度标准值可能略有不同，设计中可根据具体情况按附录A采用，或按相应的国家标准采用。
    附录A表A-1中铝合金的力学性能参照以下国家标准：《铝及铝合金轧制板材》GB/T 3880-1997；《铝及铝合金冷轧带材》GB/T 8544 1997。附录A表A-2中铝合金的力学性能参照以下国家标准：《铝及铝合金挤压棒材》GB/T 3191-1998；《铝及铝合金拉（轧）制无缝管》GB/T 6893-2000；《铝及铝合金热挤压管》GB/T 4437-2000；《铝合金建筑型材》GB 5237-2000；《工业用铝及铝合金热挤压型材》GB/T 6892-2000。附录A表A-3中铝合金的化学成分参照《变形铝及铝合金化学成分》GB/T 3190-1996。
4.3.4 表4.3.4中的材料强度设计值是根据材料的力学性能标准值除以抗力分项系数得到的，为便于设计应用，将得到的数值取5的整数倍。当采用附录A中的其他锻造铝合金材料时，强度设计值应按附录A给出的材料力学性能标准值按以下各式计算后取5的整数倍采用：
    抗拉、抗压和抗弯强度设计值：f＝f_0.2/1.2
    抗剪强度设计值：f_v＝f/√3
    热影响区抗拉、抗压和抗弯强度设计值：f_u,haz＝ρ_hazf_u/1.3
    热影响区抗剪强度设计值：f_u,haz＝f_v,haz/√3
4.3.5 本条规定了铝合金结构普通螺栓、铆钉连接的强度设计值。
    1 关于铝合金结构普通螺栓、铆钉连接的可靠度研究由于资料和试验数据的缺乏，尚无法进行统计分析，因此也无法直接按统计方法得出连接的各项强度设计值。制定钢规时，对于连接的强度设计值是采用旧规范TJ 17-74的容许应力进行转化换算而得到的，同时根据当时的研究成果并参照前苏联1981年钢结构规范进行了局部调整。因为国内没有关于铝合金结构的规范，连接材料的种类、级别相当繁杂，原始资料和试验数据几乎没有，确定出适当的连接强度设计值就更为困难。因此，本规范中铝合金结构普通螺栓、铆钉连接强度设计值的确定方法，是采用比较国外几种主要的铝合金结构规范，即欧规、英规、美规以及钢规设计公式的形式和设计强度指标的取值，并通过比较普通螺栓、铆钉的强度设计值与材料机械性能值的关系式得出的。
    2 普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能值的相关关系式：
    1) 钢规：普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能值的关系，如表7所示。

表7 普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能关系（钢规）

注：1  普通螺栓抗拉强度（公称值）； 铆钉抗拉强度；f_u钢材抗拉强度（最小值）。
       2 因钢规设计公式未考虑撬力的影响，表中 的取值考虑了20％的折减。
       3  与构件受力性质和螺栓（铆钉）孔洞端距有关，钢规是根据受拉构件且端距＝2d₀确定的。
    2) 欧规：参照欧规内容，经调整得出与钢规相同的形式。欧规中各项强度设计值与材料机械性能值的关系式，如表8所示。

表8 普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能关系
（欧规变换为钢规设计公式形式）

 注：1 普通螺栓抗拉强度（最小值）；  铆钉抗拉强度（最小值）；f_u铝合金抗拉强度（最小值）。
        2 欧规在计算沿杆轴方向受拉的连接时，除需要验算螺栓的抗拉强度外，还需验算螺栓头、螺母对铝合金构件的抗冲切强度；由于铝合金构件的强度可能会比螺栓的强度低很多，因此抗冲切验算是很有必要的。但为了仍可采用类似钢规设计公式的形式，本次规范条文将抗冲切验算单独提出，并且为便于同表7中各项进行比较，将表中 也作了20％的折减以补偿未考虑撬力的不利影响。
        3 欧规中构件承压强度的计算较为复杂，同螺栓（铆钉）孔洞端距、中距，以及螺栓（铆钉）和铝合金构件的抗拉强度比值有关；一般情况下螺栓（铆钉）的抗拉强度均远大于铝合金的抗拉强度，可不必考虑这一因素的影响；表中 取值是按照构造要求的最小容许距离：即端距＝2d₀、中距＝2.5d₀确定的。
    3) 英规：参照英规内容，经调整得出与钢规相同的形式。英规中各项强度设计值与材料机械性能值的关系式，如表9所示。

表9 普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能关系
（英规变换为钢规设计公式形式）

注：1 铝合金螺栓（铆钉）抗拉强度（最小值）； 钢螺栓（铆钉）屈服强度（最小值）； 不锈钢螺栓强度代表值，。
       2 f_p铝合金强度代表值， 。
       3 英规中抗拉强度设计值取值较低，是因为其中已经考虑了撬力作用的不利影响。
       4 英规中构件承压强度的计算较为复杂，同螺栓（铆钉）孔洞端距、构件与螺栓（铆钉）杆直径比值有关；当端距＝2d₀时，表中所列为 的最小值。
    4) 美规：参照美规内容，经调整得出与钢规相同的形式。根据美规Part-1铝合金结构设计：容许应力设计法，包括荷载分项系数在内的螺栓、铆钉抗剪承载力和抗拉承载力的总安全系数为2.34。根据我国荷载规范，如作用在结构上的荷载分项系数平均值取1.35，则可以得出螺栓、铆钉抗剪和抗拉强度的材料分项系数为1.73。螺栓、铆钉的抗剪强度设计值与抗拉强度设计值与材料机械性能值的相关关系，如表10所示。

表10 普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能关系
（美规变换为钢规设计公式形式）

注：1 普通螺栓抗拉强度； 普通螺栓抗剪强度； 铆钉抗剪强度。
       2  取值作了20％的折减以补偿未考虑撬力的不利影响。
       3 欧规明确规定铆钉连接应设计为可传递剪力和压力，并要求尽量避免使铝合金铆钉承受拉力；英规明确规定铝合金铆钉不得承受拉力荷载；美规中仅给出了铝合金铆钉的抗剪强度设计值。因此，参考以上国外规范，本规范规定铝合金铆钉只可用于受剪连接中，故对铝合金铆钉的抗拉强度设计值不作规定。
       4 根据表7～表10各国规范中普通螺栓、铆钉连接强度设计值与材料机械性能值的计算式，本规范按表11计算普通螺栓、铆钉的强度设计值。表中铝合金、不锈钢螺栓强度设计值计算式依据欧规，钢螺栓强度设计值计算式依据钢规，铝合金铆钉强度设计值计算式依据美规，构件承压强度设计值计算式取值依据欧规。表11中的材料机械性能指标取自表4.3.4铝合金材料的室温力学性能值以及现行国家标准《紧固件机械性能 有色金属制造的螺栓、螺钉、螺柱和螺母》GB/T 3098.10、《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》GB/T 3098.6、《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》GB/T 3098.1、现行国家标准《铆钉用铝及铝合金线材》GB 3196，计算所得的强度设计值均取5的整数倍。6063A-T5和6063A-T6的抗拉强度均取厚度大于10mm时的较小值。

表11 普通螺栓、铆钉连接的强度设计值(N/mm²)

4.3.6 本条规定了铝合金结构焊缝的强度设计值。
    1 欧规中规定的焊缝金属特征强度值如表12所示，焊缝金属特征强度的抗力分项系数为1.25。英规中规定的焊缝金属特征强度值如表13所示，表中未区分焊缝金属的不同：对6061、6063合金，表中值是采用4043A或5356焊丝得到的焊缝金属特征强度值；对5083合金，表中值是采用5556A或5356焊丝得到的焊缝金属特征强度值，焊缝金属特征强度的抗力分项系数为1.3。英规中还规定，如焊接工艺及过程不符合BS 4870标准的要求，则抗力分项系数应提高到1.6。以上两种规范均未区分MIG和TIG焊接工艺对焊缝强度的影响。

表12 焊缝金属特征强度值(N/mm²)（欧规）

注：1 对于采用6060-T5合金的挤压型材及厚度5mm＜t＜25mm的材料，上述值应减小为140N/mm²。
       2 对于5754合金可采用5454合金的设计值，对于6063合金可采用6060合金的设计值。
       3 如果焊缝金属为5056A，5556A，或5183合金可采用焊缝金属为5356合金的设计值。
       4 如果焊缝金属为4047A或3103合金可采用焊缝金属为4043A合金的设计值。
       5 对于两种不同种类合金的焊接，焊缝金属的特征强度应采用较小值。

表13 焊缝金属特征强度值(N/mm²)（英规）

注：对于两种不同种类合金的焊接，焊缝金属的特征强度应采用较小值。
    2 对于特定的母材与焊缝金属的组合，欧规和英规仅规定了焊缝金属的强度特征值，并通过具体的设计公式来体现对接焊缝与角焊缝设计强度的区别。本规范在形式上以参照钢规为基本原则，因此分别给出对接焊缝和角焊缝的强度设计值。
    3 同一种铝合金母材选用不同的焊缝金属，焊缝的强度设计值是不同的。对于6061、6063及6063A合金，通常情况下按强度要求宜选用SAIMG-3(5356)焊丝，该种焊接组合焊缝强度较高。但由于6×××系列合金具有较强的裂纹热敏感性，当首先需要考虑控制裂纹数量和尺寸，以及耐腐蚀的要求较高时，宜选用抗热裂性能较好的SAISi-1(4043)焊丝。但应注意，选用4043焊丝，焊缝金属在阳极氧化后呈灰黑色，铝合金母材在阳极氧化后呈银白色，二者色差较为明显，当要求结构美观时应慎用。而当母材为5083合金时，焊接时只能采用SAIMG-3(5356)焊丝。
    4 根据同济大学完成的母材为6061-T6，焊丝分别采用5356及4043的铝合金结构对接焊缝和角焊缝试验，得到的焊缝特征强度平均值均稍大于欧规及英规的规定值。这说明在国内的材料生产和焊接加工条件下，采用欧规或英规的焊缝特征强度值，是可以保证安全的。因此，参考表12和表13，可得焊缝的强度设计值，如表14所示。表中强度设计值取欧规和英规的较小值，并取5的整数倍。

表14 焊缝的强度设计值(N/mm²)

注：1 对接焊缝抗压强度设计值  ；
       2 对接焊缝抗剪强度设计值，  ；
       3 角焊缝抗拉、抗压和抗剪强度设计值  。
       5 关于焊缝质量等级和工艺评定可参考现行国家行业标准《铝及铝合金焊接技术规程》HGJ 222。