角钢因其经济性和易于制造的特点，在结构工程中被广泛使用。然而，当谈到在 弯曲， 特别 不受限制的弯曲，重大挑战随之而来。虽然它们经常被用来支撑开口处的荷载——比如砖砌过梁——但它们的 扭转不稳定性 和 复杂的应激反应 让他们做出一个冒险的选择。
本文详细介绍了角钢在弯曲过程中的表现，以及两种情况下设计指导的局限性 BS 5950 和 欧洲规范 3 (EN 1993-1-1)，以及为什么替代配置文件通常是更可靠和结构更合理的解决方案。
1.0常见应用：开口处弯曲的角度
弯曲的角钢在民用建筑中常用于支撑门窗洞口上方的砖石。虽然细节看似简单，但它却引入了 偏心载荷 和 扭转行为 这可能会导致可用性问题，例如外墙开裂。
关键的结构挑战在于，当受到弯曲时，特别是在没有完全横向约束的情况下， 角钢受压的边容易偏出平面，导致该成员 捻. 这种现象因典型的 垂直载荷的偏心施加，它会在垂直轴和水平轴周围产生力矩。
2.0扭转效应：为什么空心截面更受欢迎
任何承受偏心载荷的结构构件都会发生扭曲。这并非角钢所独有，而是 角钢截面扭转刚度低 使他们特别容易受到伤害。在这种情况下，使用 封闭空心截面 （例如方形或矩形高速钢）是一种更优越的替代方案。虽然这些型材可能更昂贵，并且连接处的细节设计也更复杂，但 减少扭转变形 通常是值得的。
在实际应用中，例如家庭扩建或过梁，封闭部分可以大大提高耐用性并最大限度地减少成品结构中的可见缺陷。
3.0压缩中的角截面：更可预测的行为
当角钢截面受压时（例如，作为桁架的一部分），其行为是众所周知的。与绕长轴或短轴屈曲不同，角钢截面绕其 主轴： 这 u–u 和 垂直 轴。这导致角的每一条腿试图在其自身的平面外方向上弯曲，从而产生 扭转屈曲模式.
设计规范如 BS 5950 第 4.7.10 条 和 EN 1993-1-1 第 BB.1.2 节 提供基于此模式计算细长率的公式。计算会根据扭转效应进行调整，并考虑角度是否 结束限制，这会显著影响屈曲能力。
4.0弯曲中的角截面：规范指导中的限制
BS 5950 弯曲设计指南
BS 5950 第 4.3.8 条规定 基本的 和一个 简化方法 用于计算 抗屈曲弯矩 (Mb) 对于角截面。简化方法仅限于 绕 x-x 轴弯曲的等角，通常是在跨度（如窗户开口）的垂直载荷下。
使用 BS 5950 简化方法的示例计算：
鉴于：
截面：150×150×12毫米
跨度：4米
钢材等级：S275
ε = 1.0（基于钢材屈服强度）
回转半径 (rv) = 29.5 毫米
截面模量Zx = 67.7×10³ mm³
简化公式为：
该结果显示出相对较低的阻力，强调了了解这种方法的局限性的重要性。
EN 1993-1-1（欧洲规范 3）方法：更复杂，更不直接
欧洲规范没有提供直接评估角钢抗弯强度的方法。相反，它建议将施加的弯矩分解为 主轴（u-u 和 v-v） 并使用 相互作用方程。这增加了复杂性，特别是对于不等角的情况。
关键步骤是计算 相对细长度:
lambda_LT = (0.72 × v_a × f_y) / (E × phi_a × lambda_v)
在哪里：
- lambda_LT 是横向扭转细长比
- v_a 是剪切校正系数
- f_y 是材料的屈服强度
- 埃 是弹性模量
- phi_a 是细长系数（通常为 3.77）
- lambda_v 是剪切长细比（例如 L / r_v）
在哪里：
φₐ 是细长系数（通常为 3.77）
vₐ 是使用基于 λᵥ 和单对称指数 ψₐ 的公式推导出来的
λᵥ = L / rᵥ = 4000 / 29.5 = 135.6
对于相等的角度（ψₐ = 1），得出：
vₐ ≈ 0.984 → λ_LT = 0.580 → χ_LT = 0.724
使用面积二阶矩和弹性模量：
国际单位 = 1170 厘米⁴
光纤最大距离 = 106 毫米
吴=（1170×10⁴）/106=110×10立方毫米立方
Mb = 0.724 × 275 × 110 × 10³ = 21.9 kNm
5.0相互作用检查：BS 5950 与欧洲规范的比较
假设施加的力矩为 14 kNm，并均匀分解到主轴上：
鉴于：
Mu = Mv = 9.9 千牛米
Wv = 52 × 10³ 毫米³
吴 = 110 × 10³ 毫米³
欧洲规范交互检查：
BS 5950 相互作用检查：
采用抗屈曲力Mb = 26 kNm：
互动 = 1.07 ✓ 可以接受，但处于临界状态
采用简化方法（Mb = 13.9 kNm）：
互动 = 1.01 ✘ 超出限制
6.0不等角截面：增加了复杂性和局限性
角钢制造注意事项
除了使用角钢进行弯曲加工的结构复杂性之外，制造也面临挑战——尤其是在需要精确定位孔位、端部处理或开槽的情况下。为了实现精确的修改，尤其是对于不等边角钢或复杂的连接，制造商通常依赖于铁工机。这些机器只需一次设置即可高效地剪切、冲孔和压盖角钢，从而节省时间并确保可重复性。
对于涉及精细细节或内部角切割的应用（例如，为了与板材或角撑板进行整齐连接而准备角度），钣金角槽机经常被使用。该工具可以精确修整角部，从而在组装过程中实现更好的装配和对准。使用正确的制造设备不仅可以提高效率，还能确保设计中预测的结构性能在整个安装过程中都得到保持。
BS 5950 不允许简化方法 对于不等角的情况。设计师必须使用基本方法，将力矩分解为 主轴虽然质心位置、I u和 I v等属性可以在已发布的表格中找到，但它需要额外的 三角学, 单对称指数计算， 和 有效截面模量的测定.
对于纤细的腿，部分分类变得至关重要：
BS 5950 3级限值：15ε
欧洲规范 3 级限制：14ε（基于 c/t）
例如，150×10 毫米腿，c ≈ 128 毫米，得出：
c/t = 12.8 < 14ε = 12.9 → 刚好可以接受
连接结构设计与工厂制造
角钢截面的成功实施——尤其是在荷载敏感型应用中——不仅取决于理论设计，还取决于实际制造精度。当结构构件需要精确切割、开槽或冲孔时，尤其是在定制或短跨度应用中，使用合适的设备至关重要。像 铁工机 和 金属板角切口机 通常用于高效、准确地准备角钢，减少现场修改并确保更好地符合设计意图。
如果该部分 4级，进一步的复杂性出现了：
使用 有效截面特性 （欧洲规范），或
应用 设计强度降低 （BS 5950）
对于合并 弯曲和轴向载荷，这可能会变得不切实际的复杂。
7.0结论：弯曲时需谨慎使用角度
本次技术评审强调了两个关键的设计原则：
- 角度不适合承载重要时刻——尤其是在不受约束的情况下。偏心或横向载荷下的扭转行为会严重限制其性能，并导致诸如外墙开裂等使用性能故障。
- 设计不等角度需要大量劳动力，而且容易出错，特别是在处理 4 类部分或组合加载场景时。
建议做法：
使用 等角截面 至少 3级 横截面。
对于不受限制的弯曲情况，考虑用 扭转刚性截面，例如 空心截面 或者 工字钢.
