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            信息詳情
            鋼結構
            發布時間: 2018-07-19

             

             
             

            我國的鋼結構設計規范是隨著建筑鋼結構的應用逐步發展和完善的,經歷了74鋼規(TJ 17—74 《鋼結構設計規范》)、 88鋼規( GBJ 17—88《鋼結構設計規范》)和03鋼規( GB 50017—2003 《鋼結構設計規范》)以及最新修訂并于2018年7月1日實施的新版鋼規GB 50017-2017《鋼結構設計標準》(簡稱“17鋼標”)。

             

            17鋼標的修訂,除對03鋼規的條文進行必要的修訂、增補之外,主要完成了下面兩項工作:

             

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            形成設計規范。 03鋼規及以前的鋼規,基本上屬于母規性質,即主要用于規定鋼材強度和構件驗算,缺乏對結構體系層面的設計規定和結構抗震設計內容,不能直接成為用于設計的結構規范。

            本次修訂加入結構體系和抗震設計內容,使17鋼標能夠直接用于常用鋼結構體系的設計。

             

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            引入用于鋼結構穩定設計的直接分析法,并與歐標、美標、中國香港鋼規的直接分析法保持同步,使鋼結構的穩定設計更安全、更經濟。

            1 各章主要內容

             1.1 第 1 章:總則

            17 鋼標適用于工業與民用建筑和一般構筑物的鋼結構設計。經過歷屆編制人的努力,鋼規已成為鋼結構業內專業最權威、應用最廣泛的規范。因此本次鋼標的修訂也力求在房屋之外的其他領域,如鐵路、公路、港口、水利等方面解決技術層面的共性問題,以促進鋼結構行業的發展。

            1.2 第 2 章:術語和符號

            明確了無支撐框架、強支撐框架的定義,規范了支撐結構、框架- 支撐結構體系,增加了用于抗震設計的構件塑性耗能區的定義。

             

             1.3 第 3 章:基本設計規定

            給出了鋼結構兩種地震工況的驗算方法,即 GB 50010—2010《建筑抗震設計規范》(簡稱“抗規”)的多遇地震設計法和17鋼標的設防烈度地震設計法,后者具體驗算方法見第17章。這就指明了鋼結構的抗震設計既可以按抗規的方法,也可以按第17 章的抗震性能化設計方法。

             

            截面板件寬厚比是為第 17 章抗震設計準備的基本資料,可以說這是中國規范第一次系統地梳理了板件寬厚比。

             

            對于歐規的 S1—S4 截面,17鋼標將壓彎和受彎構件的截面分成 S1—S5 五類截面。17鋼標S1 、S2 為塑性截面,S4 為彈性截面,S3 為中國規范特有的考慮一定塑性發展的彈塑性截面,S5 為薄柔截面。

             

             1.4 第4章:材料

            17 鋼標將材料獨立成章,為今后新材料的應用做準備。本次雖僅增加了 Q460 和 Q345GJ 兩種鋼材,但做了大量工作。以可靠性指標為基礎,通過大量構件的幾何不定性、材料不定性和計算模式不定性的試驗分析和現場構件數據統計工作,并結合以往鋼規的計算模式不定性成果,得到了本次用于修訂的抗力分項系數。

            應當看到,經過十幾年鋼結構產業的發展,我國的建筑用鋼質量水平有了很大提高。但從抗力分項系數的角度講,并不盡如人意。由于材料不定性中屈服強度的變異系數的增大,使得本次修訂得到的抗力分項系數有所增大: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 鋼的抗力分項系數為1.125 ~ 1.180(不同板厚)。

             

            對于目前的抗力分項系數計算方法,有兩點值得注意。一是求解麻煩,需要做大量的試驗和檢測工作,這也限制了作為規范引進新鋼種的速度。二是抗力分項系數的統計方法使其極大依賴鋼材屈服強度的離散程度,每次統計值都不穩定。考慮到抗力分項系數在 1.1 左右,因此可以參照歐美的做法,比如規定抗力分項系數為 1.1,然后反推對鋼材強度的離散性要求。如采用這種方法可大大簡化抗力分項系數的確定過程,方便引入新鋼種。

             1.5 第5章:結構分析與穩定性設計

            本章為直接分析法。作為一階彈性分析與計算長度法的一個替代方法,直接分析法已納入歐美、中國香港規范,并有取代前者成為鋼結構穩定計算方法的趨勢。

             

            一階分析方法依賴于計算長度,03 鋼規的計算長度系數是在特定條件下推導出來的。實際上,構件的計算長度與結構體系、荷載情況、約束條件均有關系,并不是一個定值。直接分析法準確考慮結構計算的諸多因素,并引入結構和構件的初始缺陷和殘余應力,將穩定計算統一到原本的強度計算上來。

            從試設計及歐美相關的研究來看,P-Δ-Δ0二階分析從工程角度看效果會更好一些。在此基礎上,以計算長度系數為 1.0 進行構件的穩定性計算,避免了計算長度系數確定的諸多難題,可以得到滿意的結果。P-Δ-δ(含Δ0、δ0 )直接分析法由于具體操作時δ0 的取法不便,使得此方法在實際應用上會遇到一定的困難。

             

            應當看到,二階效應法和直接分析法因為要直接考慮二階效應,因而不能用傳統的線性分析方法進行,需采用迭代方法進行幾何非線性求解。而對于直接分析法,如何編制一個高效的非線性計算軟件直接決定了這種方法的應用前景。目前,香港地區的 Nida 軟件在這方面居領先地位,很好地解決了這個問題。

             

            直接分析法還可以應用于地震工況的計算,這時應采用時程法進行考慮幾何非線性的結構動力彈性或彈塑性分析。

             

            1.6 第 6~8 章:構件的受彎、軸心受力和壓彎拉彎

            構件的受彎、軸心受力和壓彎拉彎是傳統章節。03 鋼規已很好完成了這三類構件的設計和計算方法,本次修訂沒有做大的調整。

             

            將有支撐框架分為強支撐結構和弱支撐結構,是 03鋼規的一個創新。考慮到實際應用情況很少設計成弱支撐框架,因此這次取消了該類框架。另外,強支撐框架的判別式過于理論化,爭議較多,這次做了系數的調整但仍加以保留。隨著二階分析計算方法的普及,建議今后采用二階分析法或直接分析法進行鋼結構穩定設計, 這時計算長度系數取 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件,與支撐相比有其獨特的適用性。考慮到鋼板的穩定問題,這次僅引入帶加勁肋的鋼板墻。目前國內應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用。

             

             1.8 第 10 章:塑性及彎矩調幅設計

            塑性設計屬求結構極限承載力問題,具有理論依據,但作為設計方法缺少可靠度方面的論證。17 鋼標采用彎矩調幅設計方法,具有塑性設計含義,且從概念上易為設計者所接受。

             

            對超靜定梁可以進行調幅,包括框架梁和連續梁。對于地震工況,只允許對重力荷載進行調幅。

             

             1.9 第 11 章:連接

            將連接獨立成章,對各種鋼結構連接進行梳理,并為今后該章內容的發展打下基礎。

             

            17 鋼標連接的計算式沿用 03 鋼規,沒有做大的調整。近年來在海外項目的工程實踐中發現,我國有些強度指標如高強螺栓的預緊力、抗剪承載力等較國外標準低不少。這方面屬于基本性能的研究。考慮到 03 鋼規的指標很多是來源于 88 鋼規乃至 74 鋼規的數據,而當時情況下鋼材的強度、施工水平等與現在不能同日而語。因此今后有必要在吸收國外先進技術的基礎上,對這些公式進行梳理和修訂。

             1.10 第 12 章:節點

            節點獨立成章,也是為以后對節點的全面、系統、深入的研究打基礎。在柱腳一節,將外露式、外包式、埋入式和插入式柱腳進行了系統梳理,便于設計人員選用。特別是著重介紹了已廣泛用于冶金廠房的鋼結構插入式柱腳,可以為其他行業的應用所借鑒。

             

             1.11 第 13 章:鋼管連接節點

            鋼管結構的廣泛應用使得需要對其相貫節點的設計進行全面研究,包括圓鋼管和矩形鋼管。

             

            相貫節點因其受力機理的特殊性,難于像鋼結構的其他強度驗算一樣,由一個理論公式考慮各種因素推出實用公式,而是基本基于試驗得到。

             

            在全面進行相貫節點理論分析和試驗研究的基礎上,17 鋼標提出了一整套非加勁的節點承載力計算式。承載力公式綜合考慮了節點屈曲、屈服、支桿強度等因素,是以試驗為依據的,為管桁架強節點弱桿件的設計提供了保證。

             

            對于交錯搭接節點中被搭接支桿不易施焊的情況,17 鋼標也做了詳盡分析,給出了諸如低烈度抗震區可不施焊的建議。

             

            對于不滿足節點承載力要求的非加勁相貫節點,可以采用設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省用鋼量。本章的組合梁強度計算按塑性理論,撓度和連續梁端部裂縫計算按彈性理論。前者考慮混凝土開裂的剛度折減,后者考慮彎矩調幅作用。

             

            組合梁按栓釘的抗剪能力分為完全抗剪組合和部分抗剪組合。前者的栓釘數量能完全承擔混凝土與鋼梁界面的剪力傳遞。基于此,推導出完全組合梁和部分組合梁的正彎矩區和負彎矩區的承載力計算式。從正彎矩區的位置可以看出,這套塑性計算式適用于非地震區,因此更加適用于次梁(包括簡支梁和連續梁)。另外,第 6 節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算式。

             

            可以看到,組合梁的計算基于塑性理論,是一個完整體系。在應用時要特別注意適用條件,合理應用。

             1.13 第 15 章:鋼管混凝土柱及節點

            考慮造價等原因,用鋼管混凝土柱代替鋼柱已成為一種常規做法。因此 17 鋼標將鋼管混凝土柱作為一種常規構件列入。這種構件的承載力計算及相關構造要求見其他有關規范、規程、標準。

             

             1.14 第 16 章:疲勞計算及防脆斷設計

            疲勞計算適用于應力循環次數超過 5 萬次的情況。17 鋼標采用 S-N 曲線以應力幅考慮疲勞問題,分兩個步驟判斷構件的疲勞。第一步進行初步判斷,以 1億次的疲勞截止限值進行驗算。如果不滿足,對常幅疲勞,按應力循環次數分段驗算;對變幅疲勞,按折算幅進行 200 萬次容許應力幅驗算。

             

            低溫冷脆是鋼材的特征之一。在中國寒冷地區近年來也曾發生了多起因鋼材低溫脆斷的結構事故。17 鋼標要求低溫情況下(一般為-20 ℃以下)應進行防脆斷設計,并從構造上給出了具體要求。對于具體的防脆斷計算方法,如斷裂力學和損傷力學方法,需要在下一步的工作中加以引入和完善。

             

             1.15 第 17 章:鋼結構抗震性能化設計

            鋼結構抗震性能好,不僅僅表現在材料延性好,還在于它的地震作用小。因此,如何將鋼材的強度和延性合理地進行組合搭配,即采用高延性、低承載力或低延性、高承載力的結構,是鋼結構抗震設計的關鍵。

             

            17 鋼標采用以抗震設防烈度為基礎的鋼結構抗震設計方法,采用性能系數考慮結構的承載力與延性關系,以截面板件寬厚比等級考慮構件的延性。對鋼框架結構、支撐結構、框架-支撐結構的抗震設計做出了全面系統的規定,使以性能系數和構件延性為基礎的設防烈度抗震設計方法走向應用。

             

            采用基于性能的鋼結構設防烈度抗震設計方法進行抗震設計,對于高烈度區的高層結構,采用低承載力高延性的設計方法,以結構和構件的延性耗能抵抗強震作用,使結構設計更安全。對于低烈度區的低層結構,采用高承載力低延性的設計方法,利用地震作用小、不為控制設計工況的特點,降低構件的延性要求,使結構設計更合理。

             1.16 第 18 章:鋼結構防護

            鋼結構防護含抗火設計、防腐、隔熱。

             

            鋼結構的抗火設計,與 GB 51249—2017 《建筑鋼結構防火技術規范》相聯系,后者采用抗火性能化設計,使防火設計更趨于合理。

             

            鋼結構防腐蝕設計,要根據使用環境和維護條件等因素,采用可行的防腐蝕方法,包括涂料、耐候鋼、陰極保護、鍍鋅鋁等。

             

            鋼結構的隔熱設計,要將高溫環境作為一種持久工況,對高溫下鋼結構進行隔熱保護或考慮高溫下材料性能的降低進行結構設計。

            2 結 語

                 綜上,17 鋼標的推出,使鋼結構的設計更加趨于先進、實用、合理,更加國際化,不僅會繼續為我國的鋼結構事業保駕護航,還會在我國一帶一路的走出去戰略中發揮更大的作用。

            參考文獻

             

            [1]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 鋼結構設計標準:GB 50017—2017[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2018.

            [2]王立軍. 《鋼結構設計規范》回顧與展望[J]. 工程建設標準化,2015(7):82 -83.

            [3]沈祖炎. 中國鋼結構設計規范的發展歷程[J]. 建筑結構學報,2010(6):1 -6.

            [4]陳紹蕃. 鋼結構設計規范的回顧與展望[J]. 工業建筑,2009,39(6):1 -5.

            [5]魏明鐘. 鋼結構設計新規范應用講解[M]. 北京:中國建筑工業出版社,1989.

            來源:王立軍. GB 50017-2017《鋼結構設計標準》簡述[J]. 鋼結構,2018,33(6):77-79.

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