▲ 我國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的發(fā)展過程 50年代由于大規(guī)模建設(shè)工程的需要,建筑工程部于1954年頒布了規(guī)結(jié)-4—54《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范試行草案》。該草案以前蘇聯(lián)1946年的規(guī)范為編制依據(jù), 后因前蘇聯(lián)于1955年頒布了新 的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范НйТУ12155,國家基本建設(shè)委員會(huì)決定采用以該規(guī)范代替規(guī)結(jié)-4—54,使該草案終未正式使用。 60年代,我國為編制鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范, 建筑工程部組織北京工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱建筑工程學(xué)院、天津大學(xué)、冶金部、第三機(jī)械工業(yè)部、鐵道部等有關(guān)設(shè)計(jì)院等單位著手制訂鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范, 并于1964年完成討論稿(第五稿) ,但后來遭到文革的沖擊,未能獲準(zhǔn)頒布。 70年代初,國家基本建設(shè)委員會(huì)下決心編制自己的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。由冶金工業(yè)部組織北京鋼鐵設(shè)計(jì)院會(huì)同清華大學(xué)、西安冶金建筑學(xué)院、 浙江大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱建筑工程學(xué)院、重慶建筑工程學(xué)院、冶金建筑科學(xué)研究院、建筑工程部北京建筑設(shè)計(jì)院等10余個(gè)單位抽調(diào)人員完全脫產(chǎn), 進(jìn)行規(guī)范課題研究和編制工作。于1974年12月由國家基本建設(shè)委員會(huì)、冶金工業(yè)部批準(zhǔn)和頒布了 TJ 17— 74《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》( 試行),這是我國鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展史上的一個(gè)重要的里程碑。 1988年10月由建設(shè)部批準(zhǔn)和頒布了 GBJ 17—88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。74版規(guī)范頒布后, 由北京鋼鐵設(shè)計(jì)院組織全國幾十個(gè)單位對規(guī)范中存在的問題進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究。經(jīng)過10余年的努力,獲得了100多項(xiàng)有關(guān)規(guī)范的研究成果,并在此基礎(chǔ)上完成了對74版規(guī)范的全面修訂。 2003年4月建設(shè)部批準(zhǔn)并頒布了 GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。自20世紀(jì)90年代以來,隨著我國鋼產(chǎn)量的不斷增加,建筑鋼結(jié)構(gòu)有了飛速的發(fā)展,對GBJ 17—88版規(guī)范提出了多方面的修改要求, 1997年建設(shè)部發(fā)文要求北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究總院會(huì)同國內(nèi)15家單位成立規(guī)范修訂組,負(fù)責(zé)對GBJ 17—88版規(guī)范作全面修改。 2017年12月12日由住房城鄉(xiāng)建設(shè)部第1771號公告批準(zhǔn)發(fā)布,國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017),自2018年7月1日起實(shí)施。這是以中冶京誠工程技術(shù)有限公司為主編單位會(huì)同34個(gè)參編單位和6個(gè)參加單位經(jīng)14年編寫而成。2003年到2017年是我國鋼產(chǎn)量名列世界第一、鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)得到高速發(fā)展、科研成果不斷增加、設(shè)計(jì)和制作安裝積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的十余年。2017版鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施必將推動(dòng)我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)健康發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步。 從各版本規(guī)范可看出,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范遵從原蘇聯(lián)和歐洲體系,從許用應(yīng)力法,到極限狀態(tài)法,到性能設(shè)計(jì)法也增加了很多我國自己的創(chuàng)新技術(shù)和科研成果,并與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相協(xié)調(diào),給設(shè)計(jì)人員使用帶來方便。 縱觀我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的編制過程,總結(jié)編制中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)十分必要。我認(rèn)為今后鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修訂要思考以下幾點(diǎn): 1 要按照國家對標(biāo)準(zhǔn)體制改革的要求并結(jié)合本標(biāo)準(zhǔn)編制的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)準(zhǔn)備下一版設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)修改工作,明確鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的定位與目標(biāo)以及與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的分工協(xié)調(diào)等; 2 應(yīng)由國家有關(guān)部門選擇適合承擔(dān)編制工作的設(shè)計(jì)單位作為主編單位,要有配備專門人才的工作班子和充分的工作條件; 3 對各單位完成的鋼結(jié)構(gòu)科研成果由規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制組進(jìn)行審查,決定是否在標(biāo)準(zhǔn)中采用,科研成果可實(shí)行有償購買,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不能成為成果匯編,既要有先進(jìn)性科學(xué)性,更要突出實(shí)用性可操作性; 4 要研究解決編制組的費(fèi)用來源和使用有關(guān)辦法,包括國家撥款,協(xié)會(huì)、企業(yè)、個(gè)人出資等。 我國的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范是隨著建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用逐步發(fā)展和完善的,經(jīng)歷了74鋼規(guī)(TJ 17—74 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》)、 88鋼規(guī)( GBJ 17—88《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》)和03鋼規(guī)( GB 50017—2003 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》)以及最新修訂并于2018年7月1日實(shí)施的新版鋼規(guī)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱“17鋼標(biāo)”)。 17鋼標(biāo)的修訂,除對03鋼規(guī)的條文進(jìn)行必要的修訂、增補(bǔ)之外,主要完成了下面兩項(xiàng)工作: 1 形成設(shè)計(jì)規(guī)范。 03鋼規(guī)及以前的鋼規(guī),基本上屬于母規(guī)性質(zhì),即主要用于規(guī)定鋼材強(qiáng)度和構(gòu)件驗(yàn)算,缺乏對結(jié)構(gòu)體系層面的設(shè)計(jì)規(guī)定和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容,不能直接成為用于設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)規(guī)范。 本次修訂加入結(jié)構(gòu)體系和抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容,使17鋼標(biāo)能夠直接用于常用鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)。 2 引入用于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的直接分析法,并與歐標(biāo)、美標(biāo)、中國香港鋼規(guī)的直接分析法保持同步,使鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)更安全、更經(jīng)濟(jì)。 1 各章主要內(nèi)容 ?? 1.1 第 1 章:總則 17 鋼標(biāo)適用于工業(yè)與民用建筑和一般構(gòu)筑物的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過歷屆編制人的努力,鋼規(guī)已成為鋼結(jié)構(gòu)業(yè)內(nèi)專業(yè)最權(quán)威、應(yīng)用最廣泛的規(guī)范。因此本次鋼標(biāo)的修訂也力求在房屋之外的其他領(lǐng)域,如鐵路、公路、港口、水利等方面解決技術(shù)層面的共性問題,以促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。 ?? 1.2 第 2 章:術(shù)語和符號 明確了無支撐框架、強(qiáng)支撐框架的定義,規(guī)范了支撐結(jié)構(gòu)、框架- 支撐結(jié)構(gòu)體系,增加了用于抗震設(shè)計(jì)的構(gòu)件塑性耗能區(qū)的定義。 ?? 1.3 第 3 章:基本設(shè)計(jì)規(guī)定 給出了鋼結(jié)構(gòu)兩種地震工況的驗(yàn)算方法,即 GB 50010—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡稱“抗規(guī)”)的多遇地震設(shè)計(jì)法和17鋼標(biāo)的設(shè)防烈度地震設(shè)計(jì)法,后者具體驗(yàn)算方法見第17章。這就指明了鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)既可以按抗規(guī)的方法,也可以按第17 章的抗震性能化設(shè)計(jì)方法。 截面板件寬厚比是為第 17 章抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)備的基本資料,可以說這是中國規(guī)范第一次系統(tǒng)地梳理了板件寬厚比。 對于歐規(guī)的 S1—S4 截面,17鋼標(biāo)將壓彎和受彎構(gòu)件的截面分成 S1—S5 五類截面。17鋼標(biāo)S1 、S2 為塑性截面,S4 為彈性截面,S3 為中國規(guī)范特有的考慮一定塑性發(fā)展的彈塑性截面,S5 為薄柔截面。 ?? 1.4 第4章:材料 17 鋼標(biāo)將材料獨(dú)立成章,為今后新材料的應(yīng)用做準(zhǔn)備。本次雖僅增加了 Q460 和 Q345GJ 兩種鋼材,但做了大量工作。以可靠性指標(biāo)為基礎(chǔ),通過大量構(gòu)件的幾何不定性、材料不定性和計(jì)算模式不定性的試驗(yàn)分析和現(xiàn)場構(gòu)件數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作,并結(jié)合以往鋼規(guī)的計(jì)算模式不定性成果,得到了本次用于修訂的抗力分項(xiàng)系數(shù)。 應(yīng)當(dāng)看到,經(jīng)過十幾年鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,我國的建筑用鋼質(zhì)量水平有了很大提高。但從抗力分項(xiàng)系數(shù)的角度講,并不盡如人意。由于材料不定性中屈服強(qiáng)度的變異系數(shù)的增大,使得本次修訂得到的抗力分項(xiàng)系數(shù)有所增大:Q235 由 1.087 增大到 1.090, Q345—Q420 由 1.111 增大到1.125~1.180(不同板厚), 新增 Q460 鋼的抗力分項(xiàng)系數(shù)為1.125 ~ 1.180(不同板厚)。 對于目前的抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算方法,有兩點(diǎn)值得注意。一是求解麻煩,需要做大量的試驗(yàn)和檢測工作,這也限制了作為規(guī)范引進(jìn)新鋼種的速度。二是抗力分項(xiàng)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法使其極大依賴鋼材屈服強(qiáng)度的離散程度,每次統(tǒng)計(jì)值都不穩(wěn)定??紤]到抗力分項(xiàng)系數(shù)在 1.1 左右,因此可以參照歐美的做法,比如規(guī)定抗力分項(xiàng)系數(shù)為 1.1,然后反推對鋼材強(qiáng)度的離散性要求。如采用這種方法可大大簡化抗力分項(xiàng)系數(shù)的確定過程,方便引入新鋼種。 ?? 1.5 第5章:結(jié)構(gòu)分析與穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 本章為直接分析法。作為一階彈性分析與計(jì)算長度法的一個(gè)替代方法,直接分析法已納入歐美、中國香港規(guī)范,并有取代前者成為鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法的趨勢。 一階分析方法依賴于計(jì)算長度,03 鋼規(guī)的計(jì)算長度系數(shù)是在特定條件下推導(dǎo)出來的。實(shí)際上,構(gòu)件的計(jì)算長度與結(jié)構(gòu)體系、荷載情況、約束條件均有關(guān)系,并不是一個(gè)定值。直接分析法準(zhǔn)確考慮結(jié)構(gòu)計(jì)算的諸多因素,并引入結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的初始缺陷和殘余應(yīng)力,將穩(wěn)定計(jì)算統(tǒng)一到原本的強(qiáng)度計(jì)算上來。 從試設(shè)計(jì)及歐美相關(guān)的研究來看,P-Δ-Δ0二階分析從工程角度看效果會(huì)更好一些。在此基礎(chǔ)上,以計(jì)算長度系數(shù)為 1.0 進(jìn)行構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算,避免了計(jì)算長度系數(shù)確定的諸多難題,可以得到滿意的結(jié)果。P-Δ-δ(含Δ0、δ0 )直接分析法由于具體操作時(shí)δ0 的取法不便,使得此方法在實(shí)際應(yīng)用上會(huì)遇到一定的困難。 應(yīng)當(dāng)看到,二階效應(yīng)法和直接分析法因?yàn)橐苯涌紤]二階效應(yīng),因而不能用傳統(tǒng)的線性分析方法進(jìn)行,需采用迭代方法進(jìn)行幾何非線性求解。而對于直接分析法,如何編制一個(gè)高效的非線性計(jì)算軟件直接決定了這種方法的應(yīng)用前景。目前,香港地區(qū)的 Nida 軟件在這方面居領(lǐng)先地位,很好地解決了這個(gè)問題。 直接分析法還可以應(yīng)用于地震工況的計(jì)算,這時(shí)應(yīng)采用時(shí)程法進(jìn)行考慮幾何非線性的結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈性或彈塑性分析。 ?? 1.6 第 6~8 章:構(gòu)件的受彎、軸心受力和壓彎拉彎 構(gòu)件的受彎、軸心受力和壓彎拉彎是傳統(tǒng)章節(jié)。03 鋼規(guī)已很好完成了這三類構(gòu)件的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法,本次修訂沒有做大的調(diào)整。 將有支撐框架分為強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)和弱支撐結(jié)構(gòu),是 03鋼規(guī)的一個(gè)創(chuàng)新。考慮到實(shí)際應(yīng)用情況很少設(shè)計(jì)成弱支撐框架,因此這次取消了該類框架。另外,強(qiáng)支撐框架的判別式過于理論化,爭議較多,這次做了系數(shù)的調(diào)整但仍加以保留。隨著二階分析計(jì)算方法的普及,建議今后采用二階分析法或直接分析法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì), 這時(shí)計(jì)算長度系數(shù)取 1.0。 ?? 1.7 第 9 章:加勁鋼板剪力墻 純鋼板剪力墻作為一種性能良好的水平受力構(gòu)件,與支撐相比有其獨(dú)特的適用性??紤]到鋼板的穩(wěn)定問題,這次僅引入帶加勁肋的鋼板墻。目前國內(nèi)應(yīng)用鋼板墻的典型工程是320 m 高的天津津塔,但其對施工安裝要求較高,目前鋼板墻并未得到大量應(yīng)用。 ?? 1.8 第 10 章:塑性及彎矩調(diào)幅設(shè)計(jì) 塑性設(shè)計(jì)屬求結(jié)構(gòu)極限承載力問題,具有理論依據(jù),但作為設(shè)計(jì)方法缺少可靠度方面的論證。17 鋼標(biāo)采用彎矩調(diào)幅設(shè)計(jì)方法,具有塑性設(shè)計(jì)含義,且從概念上易為設(shè)計(jì)者所接受。 對超靜定梁可以進(jìn)行調(diào)幅,包括框架梁和連續(xù)梁。對于地震工況,只允許對重力荷載進(jìn)行調(diào)幅。 ?? 1.9 第 11 章:連接 將連接獨(dú)立成章,對各種鋼結(jié)構(gòu)連接進(jìn)行梳理,并為今后該章內(nèi)容的發(fā)展打下基礎(chǔ)。 17 鋼標(biāo)連接的計(jì)算式沿用 03 鋼規(guī),沒有做大的調(diào)整。近年來在海外項(xiàng)目的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),我國有些強(qiáng)度指標(biāo)如高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力、抗剪承載力等較國外標(biāo)準(zhǔn)低不少。這方面屬于基本性能的研究。考慮到 03 鋼規(guī)的指標(biāo)很多是來源于 88 鋼規(guī)乃至 74 鋼規(guī)的數(shù)據(jù),而當(dāng)時(shí)情況下鋼材的強(qiáng)度、施工水平等與現(xiàn)在不能同日而語。因此今后有必要在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,對這些公式進(jìn)行梳理和修訂。 ?? 1.10 第 12 章:節(jié)點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)獨(dú)立成章,也是為以后對節(jié)點(diǎn)的全面、系統(tǒng)、深入的研究打基礎(chǔ)。在柱腳一節(jié),將外露式、外包式、埋入式和插入式柱腳進(jìn)行了系統(tǒng)梳理,便于設(shè)計(jì)人員選用。特別是著重介紹了已廣泛用于冶金廠房的鋼結(jié)構(gòu)插入式柱腳,可以為其他行業(yè)的應(yīng)用所借鑒。 ?? 1.11 第 13 章:鋼管連接節(jié)點(diǎn) 鋼管結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用使得需要對其相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面研究,包括圓鋼管和矩形鋼管。 相貫節(jié)點(diǎn)因其受力機(jī)理的特殊性,難于像鋼結(jié)構(gòu)的其他強(qiáng)度驗(yàn)算一樣,由一個(gè)理論公式考慮各種因素推出實(shí)用公式,而是基本基于試驗(yàn)得到。 在全面進(jìn)行相貫節(jié)點(diǎn)理論分析和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,17 鋼標(biāo)提出了一整套非加勁的節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算式。承載力公式綜合考慮了節(jié)點(diǎn)屈曲、屈服、支桿強(qiáng)度等因素,是以試驗(yàn)為依據(jù)的,為管桁架強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件的設(shè)計(jì)提供了保證。 對于交錯(cuò)搭接節(jié)點(diǎn)中被搭接支桿不易施焊的情況,17 鋼標(biāo)也做了詳盡分析,給出了諸如低烈度抗震區(qū)可不施焊的建議。 對于不滿足節(jié)點(diǎn)承載力要求的非加勁相貫節(jié)點(diǎn),可以采用設(shè)置加勁肋的方法處理。 ?? 1.12 第 14 章:鋼與混凝土組合梁 考慮混凝土與鋼梁的組合作用能節(jié)省用鋼量。本章的組合梁強(qiáng)度計(jì)算按塑性理論,撓度和連續(xù)梁端部裂縫計(jì)算按彈性理論。前者考慮混凝土開裂的剛度折減,后者考慮彎矩調(diào)幅作用。 組合梁按栓釘?shù)目辜裟芰Ψ譃橥耆辜艚M合和部分抗剪組合。前者的栓釘數(shù)量能完全承擔(dān)混凝土與鋼梁界面的剪力傳遞。基于此,推導(dǎo)出完全組合梁和部分組合梁的正彎矩區(qū)和負(fù)彎矩區(qū)的承載力計(jì)算式。從正彎矩區(qū)的位置可以看出,這套塑性計(jì)算式適用于非地震區(qū),因此更加適用于次梁(包括簡支梁和連續(xù)梁)。另外,第 6 節(jié)給出了按完全抗剪連接得到的混凝土梁縱向傳遞栓釘抗剪力的計(jì)算式。 可以看到,組合梁的計(jì)算基于塑性理論,是一個(gè)完整體系。在應(yīng)用時(shí)要特別注意適用條件,合理應(yīng)用。 ?? 1.13 第 15 章:鋼管混凝土柱及節(jié)點(diǎn) 考慮造價(jià)等原因,用鋼管混凝土柱代替鋼柱已成為一種常規(guī)做法。因此 17 鋼標(biāo)將鋼管混凝土柱作為一種常規(guī)構(gòu)件列入。這種構(gòu)件的承載力計(jì)算及相關(guān)構(gòu)造要求見其他有關(guān)規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)。 ?? 1.14 第 16 章:疲勞計(jì)算及防脆斷設(shè)計(jì) 疲勞計(jì)算適用于應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過 5 萬次的情況。17 鋼標(biāo)采用 S-N 曲線以應(yīng)力幅考慮疲勞問題,分兩個(gè)步驟判斷構(gòu)件的疲勞。第一步進(jìn)行初步判斷,以 1億次的疲勞截止限值進(jìn)行驗(yàn)算。如果不滿足,對常幅疲勞,按應(yīng)力循環(huán)次數(shù)分段驗(yàn)算;對變幅疲勞,按折算幅進(jìn)行 200 萬次容許應(yīng)力幅驗(yàn)算。 低溫冷脆是鋼材的特征之一。在中國寒冷地區(qū)近年來也曾發(fā)生了多起因鋼材低溫脆斷的結(jié)構(gòu)事故。17 鋼標(biāo)要求低溫情況下(一般為-20 ℃以下)應(yīng)進(jìn)行防脆斷設(shè)計(jì),并從構(gòu)造上給出了具體要求。對于具體的防脆斷計(jì)算方法,如斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)方法,需要在下一步的工作中加以引入和完善。 ?? 1.15 第 17 章:鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì) 鋼結(jié)構(gòu)抗震性能好,不僅僅表現(xiàn)在材料延性好,還在于它的地震作用小。因此,如何將鋼材的強(qiáng)度和延性合理地進(jìn)行組合搭配,即采用高延性、低承載力或低延性、高承載力的結(jié)構(gòu),是鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 17 鋼標(biāo)采用以抗震設(shè)防烈度為基礎(chǔ)的鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法,采用性能系數(shù)考慮結(jié)構(gòu)的承載力與延性關(guān)系,以截面板件寬厚比等級考慮構(gòu)件的延性。對鋼框架結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)做出了全面系統(tǒng)的規(guī)定,使以性能系數(shù)和構(gòu)件延性為基礎(chǔ)的設(shè)防烈度抗震設(shè)計(jì)方法走向應(yīng)用。 采用基于性能的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),對于高烈度區(qū)的高層結(jié)構(gòu),采用低承載力高延性的設(shè)計(jì)方法,以結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的延性耗能抵抗強(qiáng)震作用,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更安全。對于低烈度區(qū)的低層結(jié)構(gòu),采用高承載力低延性的設(shè)計(jì)方法,利用地震作用小、不為控制設(shè)計(jì)工況的特點(diǎn),降低構(gòu)件的延性要求,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理。 ?? 1.16 第 18 章:鋼結(jié)構(gòu)防護(hù) 鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)含抗火設(shè)計(jì)、防腐、隔熱。 鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì),與 GB 51249—2017 《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》相聯(lián)系,后者采用抗火性能化設(shè)計(jì),使防火設(shè)計(jì)更趨于合理。 鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì),要根據(jù)使用環(huán)境和維護(hù)條件等因素,采用可行的防腐蝕方法,包括涂料、耐候鋼、陰極保護(hù)、鍍鋅鋁等。 鋼結(jié)構(gòu)的隔熱設(shè)計(jì),要將高溫環(huán)境作為一種持久工況,對高溫下鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔熱保護(hù)或考慮高溫下材料性能的降低進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2 結(jié) 語 綜上,17 鋼標(biāo)的推出,使鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加趨于先進(jìn)、實(shí)用、合理,更加國際化,不僅會(huì)繼續(xù)為我國的鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)保駕護(hù)航,還會(huì)在我國一帶一路的走出去戰(zhàn)略中發(fā)揮更大的作用。 GB50017-2017的第11章“連接”詳細(xì)規(guī)定了焊縫和螺栓連接的構(gòu)造要求和強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容;第12章“節(jié)點(diǎn)”規(guī)定了框架鋼結(jié)構(gòu)、桁架鋼結(jié)構(gòu)和空間鋼結(jié)構(gòu)的典型節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求和部分計(jì)算內(nèi)容;第13章“鋼管連接節(jié)點(diǎn)”規(guī)定了直接相貫焊接的圓管、方(矩)管節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求和承載力計(jì)算方法。這些設(shè)計(jì)規(guī)定以非抗震設(shè)計(jì)要求為主,同時(shí)考慮了動(dòng)荷載和疲勞荷載的影響。 與GB50017-2003相比,新版標(biāo)準(zhǔn)GB50017-2017在進(jìn)一步完善連接和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求方面充分吸收了過去十幾年我國在鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究、設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用的新成果和新技術(shù),借鑒了國際通行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和做法,更加強(qiáng)調(diào)了標(biāo)準(zhǔn)條文的系統(tǒng)性和適用性,便于工程師在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確理解、掌握和合理運(yùn)用。 GB50017-2017的第11章“連接”共有7節(jié)42條,在編制過程中特別強(qiáng)調(diào)了連接設(shè)計(jì)構(gòu)造要求的重要性,在繼承GB50017-2003主要連接設(shè)計(jì)條文的基礎(chǔ)上,新增和補(bǔ)充了較多的構(gòu)造要求條款。11.1節(jié)“一般規(guī)定”細(xì)化了焊縫和螺栓連接的應(yīng)用范圍、焊縫的質(zhì)量等級要求,特別理清了部分工程師在確定對接焊縫質(zhì)量等級要求時(shí)的模糊認(rèn)識;11.3節(jié)和11.5節(jié)分別給出了焊縫和螺栓連接的各項(xiàng)構(gòu)造要求。 GB50017-2017新增加的11.6節(jié)“銷軸連接”和11.7節(jié)“鋼管法蘭連接構(gòu)造”也是以構(gòu)造規(guī)定為主。這些構(gòu)造要求的規(guī)定主動(dòng)引導(dǎo)了工程師在進(jìn)行連接設(shè)計(jì)時(shí)要在優(yōu)先滿足構(gòu)造要求的基礎(chǔ)上再進(jìn)行連接的強(qiáng)度驗(yàn)算。 GB50017-2017的第11章“連接”中新規(guī)定了采用大圓孔或長槽孔的高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接的構(gòu)造要求和計(jì)算方法,這些新的孔型要求有助于調(diào)整鋼結(jié)構(gòu)螺栓連接施工偏差的不利影響,對于擴(kuò)大高強(qiáng)度螺栓連接和裝配式鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍具有重要的促進(jìn)作用。第11章“連接”還進(jìn)一步規(guī)范了“塞焊縫”、“槽焊縫”和“斷續(xù)焊縫”的構(gòu)造要求和計(jì)算方法,可有助于發(fā)揮焊縫連接的優(yōu)勢,進(jìn)一步減少焊縫連接的不利影響,工程師應(yīng)積極借鑒和合理運(yùn)用。 GB50017-2017對連接和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)規(guī)定充分考慮了我國鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用和實(shí)踐的要求,體現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性和適用性,為工程師更加安全合理、經(jīng)濟(jì)適用地設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)提供了更加完整和可靠的科學(xué)依據(jù)。 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)一般采用計(jì)算長度法,即分析方法基于線彈性分析,采用折減柱子承載能力或放大一階線性彎矩的方法來考慮二階效應(yīng),其本質(zhì)是基于歐拉失穩(wěn)理論,假定所有柱子同時(shí)屈曲,這也是03規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法,即內(nèi)力計(jì)算采用線彈性分析,構(gòu)件采用計(jì)算長度法進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)來近似解決結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。由于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力除與初始缺陷及殘余應(yīng)力相關(guān)外,實(shí)際上還與結(jié)構(gòu)體系、荷載條件、約束條件等等均有關(guān)系,因此,規(guī)范規(guī)定的計(jì)算長度計(jì)算方法僅僅是某種特定條件下的解析解,所以計(jì)算長度法作為一種近似的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法,隱含著對結(jié)構(gòu)剛度的需求,這點(diǎn)從事鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的研究者心知肚明,因此,空間網(wǎng)格規(guī)程規(guī)定剛度較差的單層網(wǎng)殼以及厚度小于跨度1/50的雙層網(wǎng)殼應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)需要考慮幾何非線性。 直接分析法則直接在內(nèi)力計(jì)算時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng),即在初始模型中考慮結(jié)構(gòu)整體的初始缺陷Δ0,構(gòu)件局部的初始幾何缺陷及殘余應(yīng)力采用由四條柱子曲線擬合而來的構(gòu)件初始缺陷δ0 考慮,同時(shí)在計(jì)算時(shí)可考慮節(jié)點(diǎn)剛度的影響,以及材料的非線性,其特點(diǎn)是不需采用確定性較差的計(jì)算長度系數(shù),僅需進(jìn)行截面承載力的校核,即可同時(shí)保證結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部構(gòu)件的穩(wěn)定性。 進(jìn)行直接分析設(shè)計(jì),采用的是非線性迭代方法,因此每種可能的工況都應(yīng)該進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算,且在迭代的過程中每根構(gòu)件的承載力都需要驗(yàn)算;另外,直接分析法可采用時(shí)程分析或底部剪力法來考慮抗震作用。 本次修訂對于穩(wěn)定性設(shè)計(jì)給出了三種方法: 方法一 一階彈性分析與設(shè)計(jì)即傳統(tǒng)的計(jì)算長度法 方法二 二階P-Δ彈性分析與設(shè)計(jì) 方法三 直接分析設(shè)計(jì)法 這三種方法的精度與適用范圍依次提高。值得提醒的是,作為精度最高的穩(wěn)定設(shè)計(jì)手法,對于計(jì)算軟件的非線性處理方式有著更高的精度要求。 直接分析法的引進(jìn)一方面為結(jié)構(gòu)工程師實(shí)現(xiàn)各種建筑創(chuàng)意提供一個(gè)適用的工具,同時(shí),使得鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)更為安全、經(jīng)濟(jì)。目前,除《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017外,直接分析法也已經(jīng)納入歐美、中國香港鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,并有代替計(jì)算長度法成為主流鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法的趨勢。 03版鋼規(guī)中材料是基本設(shè)計(jì)規(guī)定中的一節(jié),17鋼標(biāo)將材料單獨(dú)成第4章,內(nèi)容共4節(jié):鋼材牌號及標(biāo)準(zhǔn);連接材料型號及標(biāo)準(zhǔn);材料選用;設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)參數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)的材料包括鋼材和連接材料,鋼材涵蓋了碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和GJ鋼,以及耐候鋼、鑄鋼和其他鋼材。連接材料包括焊縫和螺栓。 17版新鋼標(biāo)對材料的主要修訂: 新增2個(gè)鋼材牌號Q460和Q345GJ鋼; 對鋼材的性能進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)研和試驗(yàn)研究,按照設(shè)計(jì)可靠度方法統(tǒng)計(jì)得出新的設(shè)計(jì)指標(biāo); 增加了埋弧焊接材料及螺栓球網(wǎng)架用高強(qiáng)度螺栓; 新增結(jié)構(gòu)無縫鋼管的強(qiáng)度指標(biāo)、焊接結(jié)構(gòu)用鑄鋼件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值; 對于焊接連接中,板件厚度大于等于40mm時(shí)新增了對Z向性能規(guī)定; 工作溫度不高于-20℃的受拉構(gòu)件及承重構(gòu)件的受拉板材新增了防止脆斷破壞的選材要求。 從2003年到2017年的14年間,我國成功建造了眾多大型場館、超高層鋼結(jié)構(gòu)等復(fù)雜的高難度大型鋼結(jié)構(gòu)。鋼材的生產(chǎn)技術(shù)、鋼結(jié)構(gòu)的制作、安裝施工技術(shù)取得巨大進(jìn)步。鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)中,鋼材成本占60%~70%。選用過高標(biāo)準(zhǔn)鋼材不僅造成浪費(fèi),而且訂貨困難、交貨時(shí)間長,另一方面,使用達(dá)不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的鋼材會(huì)出現(xiàn)工程質(zhì)量事故,危及生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中真實(shí)地體現(xiàn)國產(chǎn)鋼材的性能、合理選材意義重大。 根據(jù)中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì),目前鋼結(jié)構(gòu)中采用鋼材以Q345、Q235為主,其中Q345約占60%,Q235約占30%,其他鋼材(Q390級別以上)約占10%。03版鋼規(guī)的鋼材統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫是1988年版規(guī)范時(shí)建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),對Q235、Q345鋼的試驗(yàn)調(diào)研已經(jīng)相隔20年沒有進(jìn)行;Q390、Q420、Q460鋼材性能的試驗(yàn)研究,之前未進(jìn)行過;Q345GJ是2004年之后才有的新鋼種。本次《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的修訂,對鋼材的力學(xué)性能和化學(xué)成分進(jìn)行了大量的材性試驗(yàn)和實(shí)際工程調(diào)研,對影響材性不定性的試驗(yàn)因素進(jìn)行了系統(tǒng)的測試分析、幾何尺寸偏差測定及統(tǒng)計(jì)分析。得出了Q235、Q345、Q390、Q420、Q460、Q345GJ鋼的抗力分項(xiàng)系數(shù)及設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)。 17版鋼標(biāo)對于標(biāo)準(zhǔn)中未列入的鋼種如何使用也給出了處理辦法,即按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50068《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究確定其設(shè)計(jì)指標(biāo)及適用范圍。 結(jié)構(gòu)鋼材的選用應(yīng)遵循技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則,綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、荷載特征、結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)力狀態(tài)、連接方法、工作環(huán)境、鋼材厚度和價(jià)格等因素,選用合適的鋼材牌號和材性保證項(xiàng)目。承重結(jié)構(gòu)所用的鋼材應(yīng)具有屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和硫、磷含量的合格保證,對焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳當(dāng)量的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)采用的鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證;對直接承受動(dòng)力荷載或需驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件所用鋼材尚應(yīng)具有沖擊韌性的合格保證。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件中,應(yīng)明確、完整地標(biāo)明鋼材牌號、質(zhì)量等級及附加要求,連接材料的型號及對應(yīng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。要合理經(jīng)濟(jì)地選用鋼材,鋼結(jié)構(gòu)工程中采用的鋼材品種數(shù)應(yīng)統(tǒng)籌考慮適當(dāng)歸并。在由剛度或疲勞控制的情況下,一般只采用Q235、Q345級的鋼材。好鋼用在刀刃上,好鋼用在節(jié)點(diǎn)上。對于抗震鋼材,現(xiàn)行的高鋼規(guī)沒有列入Q460級別,采用時(shí)要附加伸長率等要求。 11.6節(jié) 銷軸連接是本次修訂新增內(nèi)容,本節(jié)規(guī)定了銷軸連接的適用范圍、銷軸和耳板的材料選用、加工質(zhì)量要求、構(gòu)造要求和承載力計(jì)算等。耳板考慮四種承載力極限狀態(tài),分別為耳板凈截面受拉、耳板端部劈開、耳板端部受剪和 耳板面外失穩(wěn)。編寫耳板計(jì)算公式時(shí)借鑒了歐美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和我國行標(biāo)JTJ025-86《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的經(jīng)驗(yàn)。 銷軸連接中耳板可能進(jìn)入四種承載力極限狀態(tài)(圖1)。 ▲ 圖 1 銷軸連接中耳板四種承載力極限狀態(tài) 1 耳板凈截面受拉。 美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AISC 360-05Specification for Structural Steel Building 、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1993-1-8:2005和我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 025-86計(jì)算耳板凈截面的受拉承載力可分別表達(dá)如下: 1) ANSI/AISC 360-05: 2) EN 1993-1-8:2005: 3) 《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 JTJ 025-86 : 若用美國標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造要求假定銷軸連接的幾何尺寸然后分別按美國標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算耳板凈截面的受拉承載力,發(fā)現(xiàn)兩者相差很大,前者約為后者的1.2倍~4倍。根據(jù)我國鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件彈性設(shè)計(jì)極限狀態(tài)的含義(起草時(shí), “鋼標(biāo)”受拉構(gòu)件凈截面斷裂驗(yàn)算尚未按“17鋼標(biāo)”(7.1.1-2)式計(jì)算,而是用“03鋼標(biāo)”(5.1.1-1)式計(jì)算)并考慮耳板凈截面處應(yīng)力分布不均勻性,我們參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)并同時(shí)參考美國標(biāo)準(zhǔn)最大有效計(jì)算寬度提出“17鋼標(biāo)”的計(jì)算公式。與我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ025-86比較,“17鋼標(biāo)”計(jì)算公式對應(yīng)于 2 耳板端部劈開強(qiáng)度計(jì)算。 美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AISC 360-05沒有耳板端部劈開強(qiáng)度計(jì)算公式。但通過構(gòu)造要求可有: 1) 參考ASME 2006 定義的公式可表達(dá)成: 2) 參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1993-1-8:2005計(jì)算耳板端部尺寸a的公式,可表達(dá)成: 3) 參考《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 JTJ 025-86可表達(dá)成: 我們用式(5)、式(6)試算,結(jié)果若滿足式(6)則一般均能滿足式(5)。 “17鋼標(biāo)”采納式(6),與我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ025-86比較,對應(yīng)于 3 耳板端部受剪承載力計(jì)算。 美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AISC 360-05: “17鋼標(biāo)”根據(jù)兩個(gè)受剪面實(shí)際尺寸,則: 4 耳板面外失穩(wěn)。 在凈截面抗拉強(qiáng)度計(jì)算中規(guī)定了有效寬度 銷軸是按圖2荷載模型計(jì)算剪力和彎矩。銷軸承壓、受剪和受彎承載力驗(yàn)算公式同螺栓。詳見“17鋼標(biāo)”公式(11.6.4-1~5) ▲ 圖 2 銷軸受彎、受剪計(jì)算簡圖 對沒有錯(cuò)層的無支撐框架和沒有錯(cuò)層且從上到下連續(xù)布置有中心支撐的框架-支撐結(jié)構(gòu),采用一階彈性分析方法并用柱計(jì)算長度系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是比較完美的解決方案,可分別按照有側(cè)移、無側(cè)移框架確定柱計(jì)算長度系數(shù)和柱計(jì)算長度,并按“17鋼標(biāo)”8.2節(jié)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行柱穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。對無支撐框架還可按照“17鋼標(biāo)”新增公式(8.3.1-3)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),更充分利用同層所有柱子的軸壓穩(wěn)定承載力。該式體現(xiàn)出軸力大的柱將受到軸力小的柱在側(cè)移剛度上的支援。 我們注意到,用“17鋼標(biāo)”式(8.3.1-3)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算長細(xì)比,對某些軸壓力很小的柱子,因?yàn)樗鼮槠渌犹峁┝藗?cè)向支撐剛度,故自身計(jì)算長度系數(shù)很大。長細(xì)比可能超出規(guī)范限值,這種情況是否允許,“17鋼標(biāo)”中沒有明示。同理,軸力為零或?yàn)槔r(shí),采用式(8.3.1-3)計(jì)算出現(xiàn)異?,F(xiàn)象,鋼框架設(shè)計(jì)軟件開發(fā)者在進(jìn)行“自動(dòng)計(jì)算柱計(jì)算長度系數(shù)”算法設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意上述情況,避免提供異常的計(jì)算結(jié)果給工程師作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)。此外,上述公式中的框架層側(cè)移剛度K沒有一個(gè)公認(rèn)的解釋解計(jì)算式,可采用在水平荷載如風(fēng)荷載作用下的層剪力和層側(cè)移之比求得,也可參考文獻(xiàn)[4-5]利用無支撐框架柱臨界力與側(cè)移剛度的內(nèi)在關(guān)系,用該層所有柱臨界力求得。 中心支撐(人字撐、剪刀撐)的層側(cè)移剛度Sb可按文獻(xiàn)[1]的公式計(jì)算,并應(yīng)滿足“17鋼標(biāo)”式(8.3.1-6)強(qiáng)支撐框架層側(cè)移剛度的要求。雖然“17鋼標(biāo)”強(qiáng)支撐框架判別式與“03鋼規(guī)”相比系數(shù)有了調(diào)整,但根據(jù)以往工程實(shí)例,長細(xì)比符合規(guī)范要求的中心支撐,層側(cè)移剛度一般能滿足“17鋼標(biāo)”式(8.3.1-6)的要求。 我們注意到,“17鋼標(biāo)”強(qiáng)支撐框架判別式,即式(8.3.1-6)與“高鋼規(guī)”強(qiáng)支撐框架判別式(7.3.2-10)不一致。 “17鋼標(biāo)”和“03鋼規(guī)”的強(qiáng)支撐框架判別式均基于文獻(xiàn)[2]中有側(cè)移框架失穩(wěn)模式中柱子“臨界荷載的提高部分可以偏安全地正比于支撐的抗側(cè)剛度”的原理?!案咪撘?guī)” 則同時(shí)考慮支撐結(jié)構(gòu)滿足框架柱穩(wěn)定支撐的層側(cè)移剛度需要和承擔(dān)水平力的承載力需要,在推導(dǎo)過程中對層側(cè)移剛度項(xiàng)進(jìn)行了簡化,結(jié)果其判別式成為了支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力比限值由框架-支撐結(jié)構(gòu)的二階效應(yīng)系數(shù)確定的公式,物理含義和“17鋼標(biāo)”判別式含義不同。希望兩本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在下次修訂時(shí)可以將強(qiáng)支撐框架判別式統(tǒng)一起來。 隨著抗震性能化設(shè)計(jì)方法的推廣,相信在開敞式鋼框架中會(huì)更多地采用偏心支撐。上述框架-支撐結(jié)構(gòu)的中心支撐換成偏心支撐后,框架是否仍然可采用柱計(jì)算長度系數(shù)法進(jìn)行穩(wěn)定性設(shè)計(jì)?如果可以,那它是按有側(cè)移框架還是按無側(cè)移框架確定柱計(jì)算長度系數(shù)? 在結(jié)構(gòu)力學(xué)中,無側(cè)移框架是指:在節(jié)點(diǎn)處的水平力作用下框架沒有水平位移(忽略桿件軸向變形);受這個(gè)概念影響,有些工程師誤以為有側(cè)移的框架均應(yīng)按有側(cè)移框架失穩(wěn)模式確定柱計(jì)算長度系數(shù)。在“88鋼規(guī)”中,無側(cè)移框架是指框架中設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)且支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度大于等于框架本身抗側(cè)移剛度的5倍。通俗講,框架承受的水平力小于等于總剪力的20%,則這個(gè)框架在“88鋼規(guī)”中叫無側(cè)移框架。顯然,“88鋼規(guī)”中的無側(cè)移框架與結(jié)構(gòu)力學(xué)中的無側(cè)移框架不是一個(gè)概念,這20%的水平力要產(chǎn)生一定的水平位移。為了消除誤解,“03鋼規(guī)”改稱強(qiáng)支撐框架,并給出了與“88鋼規(guī)”不同的層側(cè)移剛度需求判別式,概念更清晰。所以,依據(jù)“03鋼規(guī)”或“17鋼標(biāo)”,若偏心支撐的層側(cè)移剛度滿足強(qiáng)支撐框架的要求,偏心支撐框架應(yīng)當(dāng)按無側(cè)移框架確定柱的計(jì)算長度系數(shù)。與偏心支撐、帶消能梁段的框架梁組成偏心支撐架的柱子因受偏心支撐、消能梁段影響,其計(jì)算長度系數(shù)需要以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析確定。當(dāng)然,偏心支撐的層側(cè)移剛度的計(jì)算要比中心支撐復(fù)雜。 開敞式鋼框架區(qū)別于民用建筑,是沒有圍護(hù)結(jié)構(gòu)且用于支承各種立式設(shè)備、臥式設(shè)備、空冷器及管道的多高層鋼框架,沒有剛性樓板,多為鋼格板平臺。因生產(chǎn)工藝條件限制,框架立面布置可能存在多處錯(cuò)層或豎向支撐從上到下不連續(xù)等不規(guī)則。部分柱子的失穩(wěn)模式不能簡單歸為有側(cè)移框架或無側(cè)移框架失穩(wěn),這些柱子得到的側(cè)向支撐剛度不易定量確定,所以也不是“03鋼規(guī)”中弱支撐框架能解決的。相同幾何長度的柱子按有側(cè)移、無側(cè)移框架兩種失穩(wěn)模式確定的柱計(jì)算長度系數(shù)及以此計(jì)算的軸壓穩(wěn)定系數(shù)可能相差幾倍,所以,立面布置不規(guī)則的開敞式鋼框架,計(jì)算長度取值的不確定性極大影響到結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。不規(guī)則的開敞式鋼框架最好是采用二階P-Δ彈性分析或直接分析。 如果用一階彈性分析,對于豎向支撐局部某層不連續(xù)的情況,按照“17鋼標(biāo)”5.3.2條的規(guī)定,應(yīng)當(dāng)依據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論確定柱計(jì)算長度。鑒于柱計(jì)算長度系數(shù)的明確含義,不難分析豎向支撐不連續(xù)層及其上下層的柱計(jì)算長度系數(shù);對于有連續(xù)豎向支撐,局部因錯(cuò)層,柱段與支撐層間在高度上錯(cuò)開,建議借鑒搖擺柱的設(shè)計(jì)方法確定其計(jì)算長度系數(shù)。 圖1 不規(guī)則鋼框架實(shí)例 在輪壓作用下,工字形截面吊車梁腹板上邊緣的局部承壓應(yīng)力(圖1)的計(jì)算公式是: 式中: 對于等效承壓長度,歐洲規(guī)范EC3,蘇聯(lián)、英國BS5950、日本和美國,ISO均采用如下公式計(jì)算 式中: 圖1 輪壓下腹板的承壓應(yīng)力 圖2 慣性矩的計(jì)算 本次標(biāo)準(zhǔn)修訂中,將式(2)引入了GB50017-2017,使我國在承壓應(yīng)力計(jì)算上與西方發(fā)達(dá)國家的規(guī)范完全接軌。該公式也與我們的經(jīng)驗(yàn)相符,參考圖3的說明。 圖3 重力的擴(kuò)散 圖4給出了國內(nèi)外各規(guī)范對等效承壓長度的算式。 圖4 歷史沿革 但是,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017-2017仍保留有2003版本的公式,采用 式(2)和式(3)差別很大。雖然標(biāo)準(zhǔn)未禁止采用式(3)計(jì)算輪壓下的承壓長度,但是,標(biāo)準(zhǔn)保留此式主要用于計(jì)算梁的支座處的局部承壓應(yīng)力。 式(2)來源于1934-1937年間蘇聯(lián)和歐洲科學(xué)家對彈性地基梁上作用集中力,求地基對梁的反力問題的求解,梁采用平截面假定,忽略了梁的剪切變形。地基則采用半無限平面模型。完全是一個(gè)理論解(精3.273)。 但是這個(gè)模型與吊車梁的受力有差別:(1)無法考慮荷載作用點(diǎn)高度的影響;(2)軌道梁的變形發(fā)生在局部范圍,因而是一種短梁,須考慮剪切變形的影響。 考慮剪切變形后,相當(dāng)于軌道的剛度下降了,擴(kuò)散應(yīng)力的能力下降,所以系數(shù)達(dá)不到3.25。兩種系列的軌道有不同的剪切變形系數(shù)(圖5),所以系數(shù)有差別。 圖5 兩種軌道的差別 王燕:鋼結(jié)構(gòu)抗震節(jié)點(diǎn)為貫徹國家提出的“鼓勵(lì)用鋼、合理用鋼”的經(jīng)濟(jì)政策,根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011—2010及《構(gòu)筑物抗震規(guī)范》GB50191—2012規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)原則,針對鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017—2017(簡稱“17鋼標(biāo)”)中新增了17.3.8節(jié)和17.3.9節(jié),均為鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能化設(shè)計(jì)內(nèi)容。其中,17.3.8節(jié)中提出的骨形節(jié)點(diǎn)是通過對梁翼緣進(jìn)行局部削弱,使得塑性鉸的位置發(fā)生外移;17.3.9節(jié)中提到的梁端加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路是在不降低梁承載力前提下,在罕遇地震作用下同樣可以獲得較好的塑性發(fā)展,使節(jié)點(diǎn)具有很好的延性。兩類節(jié)點(diǎn)的共同目的都是將塑性鉸移到距柱面一定距離的梁上,從而避免塑性鉸出現(xiàn)在韌度較差的焊接接頭處,以確保構(gòu)件具有足夠的延性。 “17鋼標(biāo)”新增17.3.8節(jié)為有關(guān)骨形節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容。由于骨形節(jié)點(diǎn)是以削弱梁翼緣截面、降低梁承載力為代價(jià),獲得強(qiáng)震作用下梁的塑性發(fā)展,因此,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50017—2017強(qiáng)調(diào)“內(nèi)力分析模型按照未削弱截面計(jì)算時(shí),純框架結(jié)構(gòu)側(cè)移限值應(yīng)乘以0.95;鋼梁的撓度限值應(yīng)乘以0.9;削弱截面的抗彎強(qiáng)度可按梁端彎矩的0.8進(jìn)行驗(yàn)算;梁的線剛度可按等截面計(jì)算的數(shù)值乘以0.9計(jì)算。” 框架梁翼緣骨形削弱段的起始位置、削弱長度和削弱深度均會(huì)對節(jié)點(diǎn)抗震效果產(chǎn)生影響。當(dāng)荷載達(dá)到一定數(shù)值后,在梁翼緣削弱區(qū)形成塑性鉸,為了使該塑性鉸有發(fā)展的空間范圍,削弱區(qū)起點(diǎn)至柱面距離a不宜過小。其他條件相同時(shí),隨著a的增大,梁在削弱區(qū)域內(nèi)更容易形成塑性餃,因此在進(jìn)行梁翼緣骨形削弱設(shè)計(jì)時(shí),削弱區(qū)起點(diǎn)至柱面距離應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi);削弱長度b對承載力影響相對不如參數(shù)a和c明顯,但為了保證應(yīng)力在削弱區(qū)域內(nèi)能夠平穩(wěn)傳遞,也給出了b取值的具體要求。削弱深度c對試件承載能力影響顯著,c取值過小時(shí),塑性鉸不能有效外移;取值過大時(shí),承載力下降過大,在未能充分利用削弱區(qū)腹板的耗能能力時(shí),翼緣削弱區(qū)域已經(jīng)發(fā)生較大的局部屈曲,試件進(jìn)入了極限承載力狀態(tài),因此,應(yīng)針對削弱深度c給出嚴(yán)格的取值區(qū)間。 基于上述原因,“17鋼標(biāo)”詳細(xì)給出了a,b和c的計(jì)算公式,具體如下: ![]() 為保證加工精度,“17鋼標(biāo)”規(guī)定節(jié)點(diǎn)的骨形削弱段應(yīng)采用自動(dòng)切割的加工方式,如下圖。 ![]() 圖17.3.8 骨形節(jié)點(diǎn) ![]() “17鋼標(biāo)”新增17.3.9節(jié)為有關(guān)梁端加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容。梁端加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)在連接區(qū)域局部加大梁截面,促使塑性鉸外移,提高節(jié)點(diǎn)延性,節(jié)點(diǎn)應(yīng)符合如下的相關(guān)規(guī)定: 1)如果能夠做到加強(qiáng)后柱表面處的梁截面塑性鉸彎矩等于 2)由于蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)具有“蓋板與梁翼緣采用同一條坡口與柱翼緣進(jìn)行全熔透焊接”的特點(diǎn),因此此處焊縫尺寸較大,焊接殘余應(yīng)力分布較為復(fù)雜,“17鋼標(biāo)”的17.3.9節(jié)指出“采用蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)時(shí),蓋板的計(jì)算長度應(yīng)以離開柱子表面50mm處為起點(diǎn)?!?/p> 3)采用翼緣板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)時(shí),翼緣的形狀突變會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,為減少應(yīng)力集中的影響,“17鋼標(biāo)”規(guī)定應(yīng)將寬板由截面改變位置以不小于等于1:2.5的斜角向彎矩較小側(cè)過渡,即翼緣邊的斜角不應(yīng)大于1:2.5;加寬的起點(diǎn)和柱翼緣間的距離較長時(shí),塑性鉸外移的距離增加,柱中的彎矩變大,節(jié)點(diǎn)域周邊平衡柱中彎矩的剪力增大,對節(jié)點(diǎn)域的要求提高;加寬的起點(diǎn)和柱翼緣間的距離較短時(shí),塑性鉸外移效果不充分,各方面力學(xué)性能與非抗震節(jié)點(diǎn)類似,因此,“17鋼標(biāo)”規(guī)定,加寬的起點(diǎn)和柱翼緣間的距離宜為(0.3~0.4)hb,其中hb為梁截面高度。 4)當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)采用梁端加強(qiáng)的方法來達(dá)到塑性鉸外移的目的時(shí),加強(qiáng)后的梁翼緣自由外伸寬度或厚度發(fā)生變化,此時(shí)若考慮截面部分發(fā)展塑性,為保證梁翼緣不喪失局部穩(wěn)定,“17鋼標(biāo)”翼緣加寬后的寬厚比不應(yīng)超過 5)當(dāng)柱子為箱形截面時(shí),由于柱翼緣對梁的約束能力增強(qiáng),宜考慮鋼梁腹板內(nèi)力重分布,增加翼緣厚度。 勘察設(shè)計(jì)大師、規(guī)范主編 權(quán)威解答您的疑惑 |
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