2020-026_鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)解說專題——截面等級

1、截面等級鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)解說專題（1）原創(chuàng)牛必任從鋼結(jié)構(gòu)到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（GB 50017-2017）（簡稱 鋼標(biāo)”）終于發(fā)布，各種宣講也不 少了。筆者無意再面面俱到去把 鋼標(biāo)”條文捋一遍，而是想，就 鋼標(biāo)”涉及的一些 技術(shù)要點或者說比較費解的專題進(jìn)行解說，希望順帶能說清楚，它們的前世今生。鋼標(biāo)”在第3.5節(jié)，全新引入了截面板件寬厚比等級（截面等級）的概念。關(guān)于截 面等級的涵義、如何理解以及如何應(yīng)用，存在不少的疑問，鋼標(biāo)”解讀的第一個專題，就來說說截面等級（如果較真的話，關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)材料選用，作為原來文章的修 訂一一鋼結(jié)構(gòu)的材料等級，你知道咋選嗎？ ”，已于8月10日在本公眾號發(fā)布

2、， 現(xiàn)在這個只能算是第二個專題）。一、截面等級究竟是個啥意思？首先從表面上來看，鋼構(gòu)件由板件構(gòu)成，而截面等級說的就是截面板件寬厚比等級。截面板件寬厚比，按鋼標(biāo)”的條文說明一一截面板件寬厚比指截面板件平直段的 寬度和厚度之比，受彎或壓彎構(gòu)件腹板平直段的高度與腹板厚度之比也可稱為板件 高厚比?！毙枰⒁?，以往規(guī)范中的 寬厚比”和高厚比”兩個名詞，現(xiàn)在實際上已經(jīng) 統(tǒng)稱為寬厚比”了。截面板件寬厚比，是截面厚實程度的一個度量。從本質(zhì)上來說，它直接決定了鋼構(gòu) 件的承載力、受彎及壓彎構(gòu)件的塑性轉(zhuǎn)動變形能力（延性耗能能力）。換句話說， 截面等級就是截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動能力的表征。因此，從承載力角度來說，截面

3、等級是板件易發(fā)生屈曲程度和截面塑性發(fā)展程度的度量；從塑性設(shè)計和抗震設(shè)計角 度而言，是截面塑性轉(zhuǎn)動和延性耗能能力的等級。所以鋼標(biāo)”按照根據(jù)截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動能力，參考國際標(biāo)準(zhǔn)，將截面分為五個 等級。實際上這比國際上常規(guī)分為四個等級的做法多了一個等級，是因為老的 鋼 規(guī)”中受彎構(gòu)件一直以來都考慮了塑性發(fā)展系數(shù)（即可部分發(fā)展塑性的截面），因 為這個歷史原因，截面增加了一個等級 S3。各級截面對應(yīng)的性能，實際上 鋼標(biāo)”按照截面受彎的力學(xué)性能已經(jīng)給出了很明確的 描述：S1級：可達(dá)全截面陰性*保證物性較具有切性設(shè)計要求 的轉(zhuǎn)動能力,且在轉(zhuǎn)動過程中承載力不降低.稱為一級塑性截 而，也可稱為塑性轉(zhuǎn)動截面;此

4、時圖1所示的曲線1可以表示其 彎矩-曲率關(guān)系，加一般要求達(dá)到塑性彎矩Mp除以彈性初始剛度 得到的曲率外的8倍15倍；S2級截面：可達(dá)全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性較 轉(zhuǎn)動能力有限，稱為二級塑性截面：此時的彎矩-曲率關(guān)系見圖 1所示的曲線2. %大約是6P的2倍3倍；S3級截面：翼緣全部屈服，腹板可發(fā)展不超過1/4截面 高度的姻性，稱為彈盥性截面，作為梁時,其彎矩-曲率關(guān)系如 圖1所示的曲線3；S4級截面工邊緣纖維可達(dá)屈服強度，但由于局部屈曲而 不能發(fā)展塑性稱為彈性截面：作為梁時，其彎矩-曲率關(guān)系如 圖1所示的曲線4*S5級截面，在邊緣纖維達(dá)屈服應(yīng)力前，腹板可能發(fā)生局 部屈曲，稱為薄壁截面；作

5、為梁時,其彎矩一曲率關(guān)系為圖1所 示的曲線鼠幺%勾 九 曲率歐圖】截面的分類及其轉(zhuǎn)動能力其中尤其需要注意的是，S4級截面，它的界限，是邊緣纖維剛好達(dá)到屈服的狀態(tài), S1S3級截面，能發(fā)展截面塑性，而 S5級截面，在邊緣屈服未達(dá)到時，板件就已 發(fā)生局部屈曲，只能考慮有效截面進(jìn)行計算。鋼標(biāo)”中的截面等級咋確定的?對應(yīng)歐洲規(guī)范EC3的S1S4截面，鋼標(biāo)”將壓彎和受彎構(gòu)彳的截面分成 S1S5五 個截面等級，其中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。鋼標(biāo)”的截面等級確定，主要依據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，同時參考了國外規(guī)范以及一 些經(jīng)驗值。按照

6、S4級截面描述的邊緣屈服同時板件剛好發(fā)生局部屈曲這個臨界狀態(tài)，可按彈 性穩(wěn)定的公式進(jìn)行板件寬厚比限值（屈服寬厚比）的推導(dǎo)。比如，對工字形截面的翼緣，按三邊簡支一邊自由的板件計算，臨界應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力235MPa時板件寬厚比為18.6。按屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍 適當(dāng)取整，作為五個截面分級的寬厚比限值，并給了一個表格來對比說明。表2 各種截面屈曲寬厚比和標(biāo)準(zhǔn)取值比較寬厚比/屈服 寬厚比1.00.50.60. 70, B備 注緣三邊支承一邊自由ia 469、231L0712. 9214. 77屈曲系數(shù)I標(biāo)準(zhǔn)皿值-9111315需要說明的是，0.5、0.6、0.7、0.8

7、和1.1這個系數(shù)實際是帶有經(jīng)驗性的。S4級截 面按0.8,是考慮了殘余應(yīng)力和幾何缺陷等影響，S5級截面本來應(yīng)該是允許板件彈性屈曲而按照有效截面計算的，但考慮到自由邊板件局部屈曲后可能帶來截面剛度 中心的變化，從而改變構(gòu)件的受力，也給了一個限值。腹板的寬厚比（以往習(xí)慣叫高厚比），按梁腹板局部屈曲公式推導(dǎo)后的屈服寬厚比 以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，與鋼標(biāo)”實際取的限值對比如圖。05屈服高厚比 06屈服高厚比一。7屈服高厚比 0 8屈服高厚比oo ooo 町 000000 43210 9 87 s 54 320：0.0 02 0.4 06 08 10 I 2 14 16 1.8 2

8、.0圖2腹板分級的界限高厚比的對比很明顯，屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，與鋼標(biāo)”實際最終確定的限值并不 完全一樣。按照條文說明的解釋，考慮到不同寬厚比等級的用途不同，并沒有嚴(yán)格 地按照屈服高厚比的倍數(shù)：限值大的放寬了，限值小的取得嚴(yán)格了。看一下下表 鋼標(biāo)”最終確定的截面等級及寬厚比限值，部分限值的確定，實際上參 考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC3（見下表），鋼規(guī)”塑性設(shè)計的腹板高厚比限值（下文還會說） 等。同時需要注意，壓彎構(gòu)件腹板的寬厚比限值參考了EC3,與截面應(yīng)力分布有關(guān)。另外，注5給開了一個口子：S5級截面如果應(yīng)力較小時，有可作為 S4級截面使 用的可能。鑫機，I氏和愛的件的腦的就件盒厘

9、出尊騷及值柳杵或面機杵塞即比SIW修媼魁場S4/S5ttH股 但血9tbllh心1%如1E .年”tw + M*!(u+ lifd *kk40 +】褊匕 45 + 25 *咻250杓冉 (* 41)植彬 款面賽抗fr_養(yǎng).叫St1祝甫曾 M而櫛厚比 Dt女7悶lOOtj工子后 藏面髯4二_ %凡1片|1%即ffltk 原外抽,吸l?ltb 於。ftft壁板* ran%3%叫叫幽L%為1底Il*th其值力空5寸!叫!4 f號中屆點數(shù)值的比的半克靠L?A為IV擔(dān)，H席曲面的攆外怦寬魔，/”.分1是K境厚度，履冷高和R后小度.仃扎XM面.楣板凈高界如第M 冷附性過渡姓陽孤巴：林南幣戴面，m j分制t

10、r曜蒞間的即M和孽板厚才:門先墨I(xiàn)訝敲面外卡：i漏療抵面凄及單向變均整箱影僦面柱，掛極限便可用據(jù)H股面腹幅采用通4翱國的量厚止可通J世置觸勢帥城小,5當(dāng)按國家標(biāo)IIGB*n-20lG竄軌L】*條事？，處t”且拈如低例的4t忖寬厚比小于串 此J 正的旭件寬厚比時 口1/怵C委Mifthh力位力正第孑,* -4秣三、以往規(guī)范中有截面等級嗎？雖然 鋼標(biāo)”第一次明確提出截面等級的概念并且在第3章就統(tǒng)一給出限值，實際上以往的規(guī)范中，還是有一些截面等級的影子。1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50017-2003)(鋼規(guī)”)鋼規(guī)”關(guān)于截面等級(板件寬厚比)的規(guī)定分散在受彎、壓彎構(gòu)件的計算及塑性設(shè) 計各章節(jié)中。比如，

11、對于受彎構(gòu)件的強度計算，規(guī)定如下：裊品一 Wn. -i-W-ll =出. 1.不考慮截面塑性發(fā)展系數(shù)，翼緣寬厚比限值 15 (Q235),考慮塑性發(fā)展系數(shù)13(Q235),實際上就是定義了上述的兩種截面等級：S4和S3。梁的腹板局部穩(wěn)定計算，實際上又給出了彈性截面的寬厚比限值。比如，梁的受彎 通用高厚比定義為這個150 (Q235)和130 (Q235)實際上就是彈性截面的腹板寬厚比限值 塑性設(shè)計時，要求如下: 氏L 1翔性設(shè)計截面板件的寬厚比應(yīng)符合表仇1.4的規(guī)定。表9.1.4板件寬厚比這是作為寬厚比限值的構(gòu)造要求給出的，看著眼熟不？和鋼標(biāo)”塑性截面的某些寬厚比限值很接近不是？2建筑抗震設(shè)計

12、規(guī)范(GB 50011-2010)(抗規(guī)”)抗規(guī)”第8章，作為抗震構(gòu)造措施，對框架梁、柱的板件寬厚比有如下要求:X.3.2框架梁、柱板件寬厚比，應(yīng)符合表8.3.2的規(guī)定:表8. 3. 2 框架梁、柱板件寬厚比限值板件名稱一級二級三級四級柱工字形截面翼綠外伸部分 工字形截面膜板 箱形截面壁板104333H453612483811521401梁工字形截面和箱形截 而翼綠外伸部分991011箱形截面翼壕在 兩腹板之間部分3fl|301i 一3236工字形截面和 箱形截而腹板72-120/(Af)*6072-lOONb1 /(A/) 6580-U0Nb i 15n (7085 120JVh / 這75

13、注11發(fā)列數(shù)值適加于Q235鋼，采用其他牌號鋼材時.應(yīng)乘以7235777-2 NJGA為梁軸壓比口雖然沒有明確說截面等級，但實際上就是截面延性的要求或者等級，本質(zhì)上和鋼標(biāo)”截面等級是一回事，表達(dá)塑性較的塑性轉(zhuǎn)動耗能能力。但是上述的要求是根據(jù)抗震等級來提的，強制性要求鋼結(jié)構(gòu)框架都得延性耗能，同 時要求延性構(gòu)造，控制板件寬厚比 一一烈度大地震作用大就嚴(yán)一點，和 鋼標(biāo)”的抗 震設(shè)計概念不同（后續(xù)的專題會專門討論）?？挂?guī)”第9章，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房和多層鋼結(jié)構(gòu)廠房中的單層及不超過 40m的，有 如下的規(guī)定：9.2.14廠房框架柱、梁的板件寬厚比，應(yīng)符合下列要求，1重屋蓋廠房，板件寬厚比限值可按本規(guī)范第8.

14、 3. 2條的 規(guī)定采用，7、8、9度的抗震等級可分別按四、三、二級采用口2輕屋蓋廠房，塑性耗能區(qū)板件寬厚比限值可根據(jù)其承載 力的高低按性能目標(biāo)確定。塑性耗能區(qū)外的板件寬厚比限值，可 采用現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50017彈性設(shè)計階段的板件寬 厚比限值。注：腹板的寬厚比，可通過設(shè)置縱向加勁肋減小.并在條文說明中給出了三類截面等級A、B、C:當(dāng)構(gòu)件的強度和穩(wěn)定的承載力均滿足高承載力2倍多遇 地震作用卜的要求.1%eTw R作性時，可采用現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50017彈性設(shè)計階段的板件寬厚比限值, 即（；類當(dāng)強度和穩(wěn)定的承載力均滿足中等承載力-L5倍多 遇地震作用下的要求+時，可按表6中B類采

15、用*其他情況，則按表6中A類采用.表6柱，梁構(gòu)件的板件寬比限值構(gòu)甘板件名稱A類B類柱【形截面算綠岫1012腹板筋W44j50箱形截面壁板,底板間翼緣3337腹板卜口*4418園形截出外徑壁厚比D/t5070粱I形截面翼緣切t91腹板加，心6572箱形截而腹板間具蜂b/i3036感板S572注：袋列數(shù)值話用于Q2351H.當(dāng)材料為其他鋼號時.除圓管的外徑壁厚比應(yīng)重以235/4外,其余戊果以儂577；A, B, C三類寬厚比的數(shù)值，系參照歐,日、美等國家的 抗震規(guī)范選定，大體上，A類可達(dá)全截而塑性H塑性較在轉(zhuǎn)動 過程中承載力不降低；B類可達(dá)全截面塑性，在應(yīng)力強化開始前 足以抵抗局部屈曲發(fā)生，但由于

16、局部屈曲使塑性較的轉(zhuǎn)動能力有 限。C類是指現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50017按彈性準(zhǔn)則設(shè) 計時腹板不發(fā)生局部屈曲的情況，如雙軸對稱H形截面翼緣需 滿足 W5/235/ 受彎構(gòu)件腹板需滿足72/235/y/i0/rw 13072357；,壓彎構(gòu)件腹板應(yīng)符合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB 50017-2003 式（5.4.2）的要求中腹板寬厚比限值的72 （Q235）和130 （Q235）,實際上沿用了塑性設(shè)計和梁腹板 彈性屈曲的數(shù)值?？挂?guī)”第9,2節(jié)這些規(guī)定，實際上是 鋼標(biāo)”第3章截面等級以及第17章鋼結(jié)構(gòu)抗 震性能化設(shè)計”的前身和影子。四、設(shè)計中如何應(yīng)用截面等級？截面等級實際上和構(gòu)件承載力以及抗震設(shè)計密切相關(guān)。稍微翻一下鋼標(biāo)”就能看到,截面等級在構(gòu)件強度計算的各章以及第 17章鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計”中都出現(xiàn)了, 甚至可以說它串起了各章節(jié)。這也是為什么第一個專題要說它的原因。設(shè)計中怎么 用，很難一兩句話說清楚，在