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

1、截面等級(jí)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)或者說比較費(fèi)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(jí)（截面等級(jí)）的概念。關(guān)于截 面等級(jí)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(gè)專題，就來說說截面等級(jí)（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(jí)，你知道咋選嗎？ ”，已于8月10日在本公眾號(hào)發(fā)布

2、， 現(xiàn)在這個(gè)只能算是第二個(gè)專題）。一、截面等級(jí)究竟是個(gè)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(jí)說的就是截面板件寬厚比等級(jí)。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。”需要注意，以往規(guī)范中的 寬厚比”和高厚比”兩個(gè)名詞，現(xiàn)在實(shí)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(shí)程度的一個(gè)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(dòng)變形能力（延性耗能能力）。換句話說， 截面等級(jí)就是截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力的表征。因此，從承載力角度來說，截面

3、等級(jí)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(jì)和抗震設(shè)計(jì)角 度而言，是截面塑性轉(zhuǎn)動(dòng)和延性耗能能力的等級(jí)。所以鋼標(biāo)”按照根據(jù)截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，參考國際標(biāo)準(zhǔn)，將截面分為五個(gè) 等級(jí)。實(shí)際上這比國際上常規(guī)分為四個(gè)等級(jí)的做法多了一個(gè)等級(jí)，是因?yàn)槔系?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(gè)歷史原因，截面增加了一個(gè)等級(jí) S3。各級(jí)截面對(duì)應(yīng)的性能，實(shí)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(jí)：可達(dá)全截面陰性*保證物性較具有切性設(shè)計(jì)要求 的轉(zhuǎn)動(dòng)能力,且在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中承載力不降低.稱為一級(jí)塑性截 而，也可稱為塑性轉(zhuǎn)動(dòng)截面;此

4、時(shí)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(jí)截面：可達(dá)全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性較 轉(zhuǎn)動(dòng)能力有限，稱為二級(jí)塑性截面：此時(shí)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(jí)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(shí),其彎矩-曲率關(guān)系如 圖1所示的曲線3；S4級(jí)截面工邊緣纖維可達(dá)屈服強(qiáng)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(shí)，其彎矩-曲率關(guān)系如 圖1所示的曲線4*S5級(jí)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(shí),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(dòng)能力其中尤其需要注意的是，S4級(jí)截面，它的界限，是邊緣纖維剛好達(dá)到屈服的狀態(tài), S1S3級(jí)截面，能發(fā)展截面塑性，而 S5級(jí)截面，在邊緣屈服未達(dá)到時(shí)，板件就已 發(fā)生局部屈曲，只能考慮有效截面進(jìn)行計(jì)算。鋼標(biāo)”中的截面等級(jí)咋確定的?對(duì)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(gè)截面等級(jí)，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(jí)確定，主要依據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，同時(shí)參考了國外規(guī)范以及一 些經(jīng)驗(yàn)值。按照

6、S4級(jí)截面描述的邊緣屈服同時(shí)板件剛好發(fā)生局部屈曲這個(gè)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(duì)工字形截面的翼緣，按三邊簡支一邊自由的板件計(jì)算，臨界應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力235MPa時(shí)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(gè)截面分級(jí)的寬厚比限值，并給了一個(gè)表格來對(duì)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(gè)系數(shù)實(shí)際是帶有經(jīng)驗(yàn)性的。S4級(jí)截 面按0.8,是考慮了殘余應(yīng)力和幾何缺陷等影響，S5級(jí)截面本來應(yīng)該是允許板件彈性屈曲而按照有效截面計(jì)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(gè)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(shí)際取的限值對(duì)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(jí)的界限高厚比的對(duì)比很明顯，屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，與鋼標(biāo)”實(shí)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(jí)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(jí)及寬厚比限值，部分限值的確定，實(shí)際上參 考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC3（見下表），鋼規(guī)”塑性設(shè)計(jì)的腹板高厚比限值（下文還會(huì)說） 等。同時(shí)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(gè)口子：S5級(jí)截面如果應(yīng)力較小時(shí)，有可作為 S4級(jí)截面使 用的可能。鑫機(jī)，I氏和愛的件的腦的就件盒厘

9、出尊騷及值柳杵或面機(jī)杵塞即比SIW修媼魁場(chǎng)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(hào)中屆點(diǎn)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(shì)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(shí) 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(jí)嗎？雖然 鋼標(biāo)”第一次明確提出截面等級(jí)的概念并且在第3章就統(tǒng)一給出限值，實(shí)際上以往的規(guī)范中，還是有一些截面等級(jí)的影子。1鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50017-2003)(鋼規(guī)”)鋼規(guī)”關(guān)于截面等級(jí)(板件寬厚比)的規(guī)定分散在受彎、壓彎構(gòu)件的計(jì)算及塑性設(shè) 計(jì)各章節(jié)中。比如，

11、對(duì)于受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)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(shí)際上就是定義了上述的兩種截面等級(jí)：S4和S3。梁的腹板局部穩(wěn)定計(jì)算，實(shí)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(gè)150 (Q235)和130 (Q235)實(shí)際上就是彈性截面的腹板寬厚比限值 塑性設(shè)計(jì)時(shí)，要求如下: 氏L 1翔性設(shè)計(jì)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(jì)

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(duì)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(jí)二級(jí)三級(jí)四級(jí)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(hào)鋼材時(shí).應(yīng)乘以7235777-2 NJGA為梁軸壓比口雖然沒有明確說截面等級(jí)，但實(shí)際上就是截面延性的要求或者等級(jí)，本質(zhì)上和鋼標(biāo)”截面等級(jí)是一回事，表達(dá)塑性較的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)耗能能力。但是上述的要求是根據(jù)抗震等級(jí)來提的，強(qiáng)制性要求鋼結(jié)構(gòu)框架都得延性耗能，同 時(shí)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(diǎn)，和 鋼標(biāo)”的抗 震設(shè)計(jì)概念不同（后續(xù)的專題會(huì)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(jí)可分別按四、三、二級(jí)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(jì)規(guī)范GB 50017彈性設(shè)計(jì)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(jí)A、B、C:當(dāng)構(gòu)件的強(qiáng)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(shí)，可采用現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017彈性設(shè)計(jì)階段的板件寬厚比限值, 即（；類當(dāng)強(qiáng)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(shí)，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(hào)時(shí).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(dòng) 過程中承載力不降低；B類可達(dá)全截面塑性，在應(yīng)力強(qiáng)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(dòng)能力有 限。C類是指現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017按彈性準(zhǔn)則設(shè) 計(jì)時(shí)腹板不發(fā)生局部屈曲的情況，如雙軸對(duì)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(jì)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(shí)際上沿用了塑性設(shè)計(jì)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(shí)際上是 鋼標(biāo)”第3章截面等級(jí)以及第17章鋼結(jié)構(gòu)抗 震性能化設(shè)計(jì)”的前身和影子。四、設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用截面等級(jí)？截面等級(jí)實(shí)際上和構(gòu)件承載力以及抗震設(shè)計(jì)密切相關(guān)。稍微翻一下鋼標(biāo)”就能看到,截面等級(jí)在構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算的各章以及第 17章鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”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(gè)專題要說它的原因。設(shè)計(jì)中怎么 用，很難一兩句話說清楚，在