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▲ 我国《钢结构设计规范》的发展过程 50年代由于大规模建设工程的需要,建筑工程部于1954年颁布了规结-4—54《钢结构设计规范试行草案》。该草案以前苏联1946年的规范为编制依据, 后因前苏联于1955年颁布了新 的钢结构设计规范НйТУ12155,国家基本建设委员会决定采用以该规范代替规结-4—54,使该草案终未正式使用。 60年代,我国为编制钢结构设计规范, 建筑工程部组织北京工业建筑设计院、清华大学、同济大学、哈尔滨建筑工程学院、天津大学、冶金部、第三机械工业部、铁道部等有关设计院等单位着手制订钢结构设计规范, 并于1964年完成讨论稿(第五稿) ,但后来遭到文革的冲击,未能获准颁布。 70年代初,国家基本建设委员会下决心编制自己的国家标准规范体系。由冶金工业部组织北京钢铁设计院会同清华大学、西安冶金建筑学院、 浙江大学、天津大学、哈尔滨建筑工程学院、重庆建筑工程学院、冶金建筑科学研究院、建筑工程部北京建筑设计院等10余个单位抽调人员完全脱产, 进行规范课题研究和编制工作。于1974年12月由国家基本建设委员会、冶金工业部批准和颁布了 TJ 17— 74《钢结构设计规范 》( 试行)，这是我国钢结构发展史上的一个重要的里程碑。 1988年10月由建设部批准和颁布了 GBJ 17—88《钢结构设计规范》。74版规范颁布后, 由北京钢铁设计院组织全国几十个单位对规范中存在的问题进行了理论和试验研究。经过10余年的努力,获得了100多项有关规范的研究成果,并在此基础上完成了对74版规范的全面修订。 2003年4月建设部批准并颁布了 GB50017—2003《钢结构设计规范》。自20世纪90年代以来,随着我国钢产量的不断增加,建筑钢结构有了飞速的发展,对GBJ 17—88版规范提出了多方面的修改要求, 1997年建设部发文要求北京钢铁设计研究总院会同国内15家单位成立规范修订组,负责对GBJ 17—88版规范作全面修改。 2017年12月12日由住房城乡建设部第1771号公告批准发布，国家标准《钢结构设计标准》（GB50017-2017），自2018年7月1日起实施。这是以中冶京诚工程技术有限公司为主编单位会同34个参编单位和6个参加单位经14年编写而成。2003年到2017年是我国钢产量名列世界第一、钢结构行业得到高速发展、科研成果不断增加、设计和制作安装积累了丰富经验的十余年。2017版钢结构标准的实施必将推动我国钢结构行业健康发展和技术进步。 从各版本规范可看出，钢结构设计规范遵从原苏联和欧洲体系，从许用应力法，到极限状态法，到性能设计法也增加了很多我国自己的创新技术和科研成果，并与抗震设计规范、组合结构设计规范相协调，给设计人员使用带来方便。 纵观我国钢结构设计标准的编制过程，总结编制中的经验和教训十分必要。我认为今后钢结构设计标准修订要思考以下几点： 1 要按照国家对标准体制改革的要求并结合本标准编制的经验和教训准备下一版设计标准修改工作，明确钢结构设计标准的定位与目标以及与相关标准的分工协调等; 2 应由国家有关部门选择适合承担编制工作的设计单位作为主编单位，要有配备专门人才的工作班子和充分的工作条件; 3 对各单位完成的钢结构科研成果由规范标准编制组进行审查，决定是否在标准中采用，科研成果可实行有偿购买，设计标准不能成为成果汇编，既要有先进性科学性，更要突出实用性可操作性; 4 要研究解决编制组的费用来源和使用有关办法，包括国家拨款，协会、企业、个人出资等。 我国的钢结构设计规范是随着建筑钢结构的应用逐步发展和完善的，经历了74钢规（TJ 17—74 《钢结构设计规范》）、 88钢规（ GBJ 17—88《钢结构设计规范》）和03钢规（ GB 50017—2003 《钢结构设计规范》）以及最新修订并于2018年7月1日实施的新版钢规GB 50017-2017《钢结构设计标准》（简称“17钢标”）。 17钢标的修订，除对03钢规的条文进行必要的修订、增补之外，主要完成了下面两项工作： 1 形成设计规范。 03钢规及以前的钢规，基本上属于母规性质，即主要用于规定钢材强度和构件验算，缺乏对结构体系层面的设计规定和结构抗震设计内容，不能直接成为用于设计的结构规范。 本次修订加入结构体系和抗震设计内容，使17钢标能够直接用于常用钢结构体系的设计。 2 引入用于钢结构稳定设计的直接分析法，并与欧标、美标、中国香港钢规的直接分析法保持同步，使钢结构的稳定设计更安全、更经济。 1 各章主要内容 📌 1.1 第 1 章：总则 17 钢标适用于工业与民用建筑和一般构筑物的钢结构设计。经过历届编制人的努力，钢规已成为钢结构业内专业最权威、应用最广泛的规范。因此本次钢标的修订也力求在房屋之外的其他领域，如铁路、公路、港口、水利等方面解决技术层面的共性问题，以促进钢结构行业的发展。 📌 1.2 第 2 章：术语和符号 明确了无支撑框架、强支撑框架的定义，规范了支撑结构、框架－ 支撑结构体系，增加了用于抗震设计的构件塑性耗能区的定义。 📌 1.3 第 3 章：基本设计规定 给出了钢结构两种地震工况的验算方法，即 GB 50010—2010《建筑抗震设计规范》（简称“抗规”）的多遇地震设计法和17钢标的设防烈度地震设计法，后者具体验算方法见第17章。这就指明了钢结构的抗震设计既可以按抗规的方法，也可以按第17 章的抗震性能化设计方法。 截面板件宽厚比是为第 17 章抗震设计准备的基本资料，可以说这是中国规范第一次系统地梳理了板件宽厚比。 对于欧规的 S1—S4 截面，17钢标将压弯和受弯构件的截面分成 S1—S5 五类截面。17钢标S1 、S2 为塑性截面，S4 为弹性截面，S3 为中国规范特有的考虑一定塑性发展的弹塑性截面，S5 为薄柔截面。 📌 1.4 第4章：材料 17 钢标将材料独立成章，为今后新材料的应用做准备。本次虽仅增加了 Q460 和 Q345GJ 两种钢材，但做了大量工作。以可靠性指标为基础，通过大量构件的几何不定性、材料不定性和计算模式不定性的试验分析和现场构件数据统计工作，并结合以往钢规的计算模式不定性成果，得到了本次用于修订的抗力分项系数。 应当看到，经过十几年钢结构产业的发展，我国的建筑用钢质量水平有了很大提高。但从抗力分项系数的角度讲，并不尽如人意。由于材料不定性中屈服强度的变异系数的增大，使得本次修订得到的抗力分项系数有所增大：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 钢的抗力分项系数为1.125 ～ 1.180（不同板厚）。 对于目前的抗力分项系数计算方法，有两点值得注意。一是求解麻烦，需要做大量的试验和检测工作，这也限制了作为规范引进新钢种的速度。二是抗力分项系数的统计方法使其极大依赖钢材屈服强度的离散程度，每次统计值都不稳定。考虑到抗力分项系数在 1.1 左右，因此可以参照欧美的做法，比如规定抗力分项系数为 1.1，然后反推对钢材强度的离散性要求。如采用这种方法可大大简化抗力分项系数的确定过程，方便引入新钢种。 📌 1.5 第5章：结构分析与稳定性设计 本章为直接分析法。作为一阶弹性分析与计算长度法的一个替代方法，直接分析法已纳入欧美、中国香港规范，并有取代前者成为钢结构稳定计算方法的趋势。 一阶分析方法依赖于计算长度，03 钢规的计算长度系数是在特定条件下推导出来的。实际上，构件的计算长度与结构体系、荷载情况、约束条件均有关系，并不是一个定值。直接分析法准确考虑结构计算的诸多因素，并引入结构和构件的初始缺陷和残余应力，将稳定计算统一到原本的强度计算上来。 从试设计及欧美相关的研究来看，P－Δ－Δ０二阶分析从工程角度看效果会更好一些。在此基础上，以计算长度系数为 1.0 进行构件的稳定性计算，避免了计算长度系数确定的诸多难题，可以得到满意的结果。P－Δ－δ（含Δ０、δ０ ）直接分析法由于具体操作时δ０ 的取法不便，使得此方法在实际应用上会遇到一定的困难。 应当看到，二阶效应法和直接分析法因为要直接考虑二阶效应，因而不能用传统的线性分析方法进行，需采用迭代方法进行几何非线性求解。而对于直接分析法，如何编制一个高效的非线性计算软件直接决定了这种方法的应用前景。目前，香港地区的 Nida 软件在这方面居领先地位，很好地解决了这个问题。 直接分析法还可以应用于地震工况的计算，这时应采用时程法进行考虑几何非线性的结构动力弹性或弹塑性分析。 📌 1.6 第 6～8 章：构件的受弯、轴心受力和压弯拉弯 构件的受弯、轴心受力和压弯拉弯是传统章节。03 钢规已很好完成了这三类构件的设计和计算方法，本次修订没有做大的调整。 将有支撑框架分为强支撑结构和弱支撑结构，是 03钢规的一个创新。考虑到实际应用情况很少设计成弱支撑框架，因此这次取消了该类框架。另外，强支撑框架的判别式过于理论化，争议较多，这次做了系数的调整但仍加以保留。随着二阶分析计算方法的普及，建议今后采用二阶分析法或直接分析法进行钢结构稳定设计， 这时计算长度系数取 1.0。 📌 1.7 第 9 章：加劲钢板剪力墙 纯钢板剪力墙作为一种性能良好的水平受力构件，与支撑相比有其独特的适用性。考虑到钢板的稳定问题，这次仅引入带加劲肋的钢板墙。目前国内应用钢板墙的典型工程是320 m 高的天津津塔，但其对施工安装要求较高，目前钢板墙并未得到大量应用。 📌 1.8 第 10 章：塑性及弯矩调幅设计 塑性设计属求结构极限承载力问题，具有理论依据，但作为设计方法缺少可靠度方面的论证。17 钢标采用弯矩调幅设计方法，具有塑性设计含义，且从概念上易为设计者所接受。 对超静定梁可以进行调幅，包括框架梁和连续梁。对于地震工况，只允许对重力荷载进行调幅。 📌 1.9 第 11 章：连接 将连接独立成章，对各种钢结构连接进行梳理，并为今后该章内容的发展打下基础。 17 钢标连接的计算式沿用 03 钢规，没有做大的调整。近年来在海外项目的工程实践中发现，我国有些强度指标如高强螺栓的预紧力、抗剪承载力等较国外标准低不少。这方面属于基本性能的研究。考虑到 03 钢规的指标很多是来源于 88 钢规乃至 74 钢规的数据，而当时情况下钢材的强度、施工水平等与现在不能同日而语。因此今后有必要在吸收国外先进技术的基础上，对这些公式进行梳理和修订。 📌 1.10 第 12 章：节点 节点独立成章，也是为以后对节点的全面、系统、深入的研究打基础。在柱脚一节，将外露式、外包式、埋入式和插入式柱脚进行了系统梳理，便于设计人员选用。特别是着重介绍了已广泛用于冶金厂房的钢结构插入式柱脚，可以为其他行业的应用所借鉴。 📌 1.11 第 13 章：钢管连接节点 钢管结构的广泛应用使得需要对其相贯节点的设计进行全面研究，包括圆钢管和矩形钢管。 相贯节点因其受力机理的特殊性，难于像钢结构的其他强度验算一样，由一个理论公式考虑各种因素推出实用公式，而是基本基于试验得到。 在全面进行相贯节点理论分析和试验研究的基础上，17 钢标提出了一整套非加劲的节点承载力计算式。承载力公式综合考虑了节点屈曲、屈服、支杆强度等因素，是以试验为依据的，为管桁架强节点弱杆件的设计提供了保证。 对于交错搭接节点中被搭接支杆不易施焊的情况，17 钢标也做了详尽分析，给出了诸如低烈度抗震区可不施焊的建议。 对于不满足节点承载力要求的非加劲相贯节点，可以采用设置加劲肋的方法处理。 📌 1.12 第 14 章：钢与混凝土组合梁 考虑混凝土与钢梁的组合作用能节省用钢量。本章的组合梁强度计算按塑性理论，挠度和连续梁端部裂缝计算按弹性理论。前者考虑混凝土开裂的刚度折减，后者考虑弯矩调幅作用。 组合梁按栓钉的抗剪能力分为完全抗剪组合和部分抗剪组合。前者的栓钉数量能完全承担混凝土与钢梁界面的剪力传递。基于此，推导出完全组合梁和部分组合梁的正弯矩区和负弯矩区的承载力计算式。从正弯矩区的位置可以看出，这套塑性计算式适用于非地震区，因此更加适用于次梁（包括简支梁和连续梁）。另外，第 6 节给出了按完全抗剪连接得到的混凝土梁纵向传递栓钉抗剪力的计算式。 可以看到，组合梁的计算基于塑性理论，是一个完整体系。在应用时要特别注意适用条件，合理应用。 📌 1.13 第 15 章：钢管混凝土柱及节点 考虑造价等原因，用钢管混凝土柱代替钢柱已成为一种常规做法。因此 17 钢标将钢管混凝土柱作为一种常规构件列入。这种构件的承载力计算及相关构造要求见其他有关规范、规程、标准。 📌 1.14 第 16 章：疲劳计算及防脆断设计 疲劳计算适用于应力循环次数超过 5 万次的情况。17 钢标采用 S-N 曲线以应力幅考虑疲劳问题，分两个步骤判断构件的疲劳。第一步进行初步判断，以 1亿次的疲劳截止限值进行验算。如果不满足，对常幅疲劳，按应力循环次数分段验算；对变幅疲劳，按折算幅进行 200 万次容许应力幅验算。 低温冷脆是钢材的特征之一。在中国寒冷地区近年来也曾发生了多起因钢材低温脆断的结构事故。17 钢标要求低温情况下（一般为－20 ℃以下）应进行防脆断设计，并从构造上给出了具体要求。对于具体的防脆断计算方法，如断裂力学和损伤力学方法，需要在下一步的工作中加以引入和完善。 📌 1.15 第 17 章：钢结构抗震性能化设计 钢结构抗震性能好，不仅仅表现在材料延性好，还在于它的地震作用小。因此，如何将钢材的强度和延性合理地进行组合搭配，即采用高延性、低承载力或低延性、高承载力的结构，是钢结构抗震设计的关键。 17 钢标采用以抗震设防烈度为基础的钢结构抗震设计方法，采用性能系数考虑结构的承载力与延性关系，以截面板件宽厚比等级考虑构件的延性。对钢框架结构、支撑结构、框架－支撑结构的抗震设计做出了全面系统的规定，使以性能系数和构件延性为基础的设防烈度抗震设计方法走向应用。 采用基于性能的钢结构设防烈度抗震设计方法进行抗震设计，对于高烈度区的高层结构，采用低承载力高延性的设计方法，以结构和构件的延性耗能抵抗强震作用，使结构设计更安全。对于低烈度区的低层结构，采用高承载力低延性的设计方法，利用地震作用小、不为控制设计工况的特点，降低构件的延性要求，使结构设计更合理。 📌 1.16 第 18 章：钢结构防护 钢结构防护含抗火设计、防腐、隔热。 钢结构的抗火设计，与 GB 51249—2017 《建筑钢结构防火技术规范》相联系，后者采用抗火性能化设计，使防火设计更趋于合理。 钢结构防腐蚀设计，要根据使用环境和维护条件等因素，采用可行的防腐蚀方法，包括涂料、耐候钢、阴极保护、镀锌铝等。 钢结构的隔热设计，要将高温环境作为一种持久工况，对高温下钢结构进行隔热保护或考虑高温下材料性能的降低进行结构设计。 2 结 语 综上，17 钢标的推出，使钢结构的设计更加趋于先进、实用、合理，更加国际化，不仅会继续为我国的钢结构事业保驾护航，还会在我国一带一路的走出去战略中发挥更大的作用。 GB50017-2017的第11章“连接”详细规定了焊缝和螺栓连接的构造要求和强度计算内容；第12章“节点”规定了框架钢结构、桁架钢结构和空间钢结构的典型节点的构造要求和部分计算内容；第13章“钢管连接节点”规定了直接相贯焊接的圆管、方（矩）管节点的构造要求和承载力计算方法。这些设计规定以非抗震设计要求为主，同时考虑了动荷载和疲劳荷载的影响。 与GB50017-2003相比，新版标准GB50017-2017在进一步完善连接和节点设计要求方面充分吸收了过去十几年我国在钢结构领域的研究、设计和工程应用的新成果和新技术，借鉴了国际通行钢结构设计标准的先进经验和做法，更加强调了标准条文的系统性和适用性，便于工程师在进行钢结构设计时准确理解、掌握和合理运用。 GB50017-2017的第11章“连接”共有7节42条，在编制过程中特别强调了连接设计构造要求的重要性，在继承GB50017-2003主要连接设计条文的基础上，新增和补充了较多的构造要求条款。11.1节“一般规定”细化了焊缝和螺栓连接的应用范围、焊缝的质量等级要求，特别理清了部分工程师在确定对接焊缝质量等级要求时的模糊认识；11.3节和11.5节分别给出了焊缝和螺栓连接的各项构造要求。 GB50017-2017新增加的11.6节“销轴连接”和11.7节“钢管法兰连接构造”也是以构造规定为主。这些构造要求的规定主动引导了工程师在进行连接设计时要在优先满足构造要求的基础上再进行连接的强度验算。 GB50017-2017的第11章“连接”中新规定了采用大圆孔或长槽孔的高强度螺栓摩擦型连接的构造要求和计算方法，这些新的孔型要求有助于调整钢结构螺栓连接施工偏差的不利影响，对于扩大高强度螺栓连接和装配式钢结构的应用范围具有重要的促进作用。第11章“连接”还进一步规范了“塞焊缝”、“槽焊缝”和“断续焊缝”的构造要求和计算方法，可有助于发挥焊缝连接的优势，进一步减少焊缝连接的不利影响，工程师应积极借鉴和合理运用。 GB50017-2017对连接和节点设计规定充分考虑了我国钢结构工程应用和实践的要求，体现了标准的先进性和适用性，为工程师更加安全合理、经济适用地设计钢结构提供了更加完整和可靠的科学依据。 钢结构稳定设计一般采用计算长度法，即分析方法基于线弹性分析，采用折减柱子承载能力或放大一阶线性弯矩的方法来考虑二阶效应，其本质是基于欧拉失稳理论，假定所有柱子同时屈曲，这也是03规范规定的稳定设计方法，即内力计算采用线弹性分析，构件采用计算长度法进行稳定性设计来近似解决结构的稳定性问题。由于结构的稳定承载力除与初始缺陷及残余应力相关外，实际上还与结构体系、荷载条件、约束条件等等均有关系，因此，规范规定的计算长度计算方法仅仅是某种特定条件下的解析解，所以计算长度法作为一种近似的稳定设计方法，隐含着对结构刚度的需求，这点从事钢结构稳定的研究者心知肚明，因此，空间网格规程规定刚度较差的单层网壳以及厚度小于跨度1/50的双层网壳应进行稳定性计算，进行稳定性计算时需要考虑几何非线性。 直接分析法则直接在内力计算时考虑结构的二阶效应，即在初始模型中考虑结构整体的初始缺陷Δ0，构件局部的初始几何缺陷及残余应力采用由四条柱子曲线拟合而来的构件初始缺陷δ0 考虑，同时在计算时可考虑节点刚度的影响，以及材料的非线性，其特点是不需采用确定性较差的计算长度系数，仅需进行截面承载力的校核，即可同时保证结构整体稳定性和局部构件的稳定性。 进行直接分析设计，采用的是非线性迭代方法，因此每种可能的工况都应该进行单独计算，且在迭代的过程中每根构件的承载力都需要验算；另外，直接分析法可采用时程分析或底部剪力法来考虑抗震作用。 本次修订对于稳定性设计给出了三种方法: 方法一 一阶弹性分析与设计即传统的计算长度法 方法二 二阶P-Δ弹性分析与设计 方法三 直接分析设计法 这三种方法的精度与适用范围依次提高。值得提醒的是，作为精度最高的稳定设计手法，对于计算软件的非线性处理方式有着更高的精度要求。 直接分析法的引进一方面为结构工程师实现各种建筑创意提供一个适用的工具，同时，使得钢结构稳定设计更为安全、经济。目前，除《钢结构设计标准》GB50017-2017外，直接分析法也已经纳入欧美、中国香港钢结构设计规范，并有代替计算长度法成为主流钢结构稳定设计方法的趋势。 03版钢规中材料是基本设计规定中的一节，17钢标将材料单独成第4章，内容共4节：钢材牌号及标准；连接材料型号及标准；材料选用；设计指标和设计参数。钢结构的材料包括钢材和连接材料，钢材涵盖了碳素结构钢、低合金高强度结构钢和GJ钢，以及耐候钢、铸钢和其他钢材。连接材料包括焊缝和螺栓。 17版新钢标对材料的主要修订： 新增2个钢材牌号Q460和Q345GJ钢； 对钢材的性能进行大规模的调研和试验研究，按照设计可靠度方法统计得出新的设计指标； 增加了埋弧焊接材料及螺栓球网架用高强度螺栓； 新增结构无缝钢管的强度指标、焊接结构用铸钢件的强度设计值； 对于焊接连接中，板件厚度大于等于40mm时新增了对Z向性能规定； 工作温度不高于-20℃的受拉构件及承重构件的受拉板材新增了防止脆断破坏的选材要求。 从2003年到2017年的14年间，我国成功建造了众多大型场馆、超高层钢结构等复杂的高难度大型钢结构。钢材的生产技术、钢结构的制作、安装施工技术取得巨大进步。钢结构的造价中，钢材成本占60%~70%。选用过高标准钢材不仅造成浪费，而且订货困难、交货时间长，另一方面，使用达不到质量标准的钢材会出现工程质量事故，危及生命和财产安全。因此，钢结构设计标准中真实地体现国产钢材的性能、合理选材意义重大。 根据中国钢结构协会的统计，目前钢结构中采用钢材以Q345、Q235为主，其中Q345约占60%，Q235约占30%，其他钢材（Q390级别以上）约占10%。03版钢规的钢材统计数据库是1988年版规范时建立的基础数据，对Q235、Q345钢的试验调研已经相隔20年没有进行；Q390、Q420、Q460钢材性能的试验研究，之前未进行过；Q345GJ是2004年之后才有的新钢种。本次《钢结构设计规范》的修订，对钢材的力学性能和化学成分进行了大量的材性试验和实际工程调研，对影响材性不定性的试验因素进行了系统的测试分析、几何尺寸偏差测定及统计分析。得出了Q235、Q345、Q390、Q420、Q460、Q345GJ钢的抗力分项系数及设计强度指标。 17版钢标对于标准中未列入的钢种如何使用也给出了处理办法，即按照现行国家标准GB 50068《建筑结构可靠度设计统一标准》进行统计分析，研究确定其设计指标及适用范围。 结构钢材的选用应遵循技术可靠、经济合理的原则，综合考虑结构的重要性、荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、工作环境、钢材厚度和价格等因素，选用合适的钢材牌号和材性保证项目。承重结构所用的钢材应具有屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳当量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合格保证；对直接承受动力荷载或需验算疲劳的构件所用钢材尚应具有冲击韧性的合格保证。在钢结构设计文件中，应明确、完整地标明钢材牌号、质量等级及附加要求，连接材料的型号及对应的产品标准。要合理经济地选用钢材，钢结构工程中采用的钢材品种数应统筹考虑适当归并。在由刚度或疲劳控制的情况下，一般只采用Q235、Q345级的钢材。好钢用在刀刃上，好钢用在节点上。对于抗震钢材，现行的高钢规没有列入Q460级别，采用时要附加伸长率等要求。 11.6节 销轴连接是本次修订新增内容，本节规定了销轴连接的适用范围、销轴和耳板的材料选用、加工质量要求、构造要求和承载力计算等。耳板考虑四种承载力极限状态，分别为耳板净截面受拉、耳板端部劈开、耳板端部受剪和 耳板面外失稳。编写耳板计算公式时借鉴了欧美钢结构设计标准和我国行标JTJ025-86《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》的经验。 销轴连接中耳板可能进入四种承载力极限状态（图1）。 ▲ 图 1 销轴连接中耳板四种承载力极限状态 1 耳板净截面受拉。 美国标准ANSI/AISC 360-05Specification for Structural Steel Building 、欧洲标准EN 1993-1-8：2005和我国行业标准JTJ 025-86计算耳板净截面的受拉承载力可分别表达如下： 1) ANSI/AISC 360-05： 2) EN 1993-1-8：2005： 3) 《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 JTJ 025-86 ： 若用美国标准构造要求假定销轴连接的几何尺寸然后分别按美国标准和欧洲标准计算耳板净截面的受拉承载力，发现两者相差很大，前者约为后者的1.2倍~4倍。根据我国钢结构构件弹性设计极限状态的含义（起草时， “钢标”受拉构件净截面断裂验算尚未按“17钢标”（7.1.1-2）式计算，而是用“03钢标”（5.1.1-1）式计算）并考虑耳板净截面处应力分布不均匀性，我们参考欧洲标准并同时参考美国标准最大有效计算宽度提出“17钢标”的计算公式。与我国行业标准《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》JTJ025-86比较，“17钢标”计算公式对应于 2 耳板端部劈开强度计算。 美国标准ANSI/AISC 360-05没有耳板端部劈开强度计算公式。但通过构造要求可有： 1) 参考ASME 2006 定义的公式可表达成： 2) 参考欧洲标准EN 1993-1-8：2005计算耳板端部尺寸a的公式，可表达成： 3) 参考《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 JTJ 025-86可表达成： 我们用式(5)、式(6)试算，结果若满足式(6)则一般均能满足式(5)。 “17钢标”采纳式(6),与我国行业标准JTJ025-86比较，对应于 3 耳板端部受剪承载力计算。 美国标准ANSI/AISC 360-05： “17钢标”根据两个受剪面实际尺寸，则： 4 耳板面外失稳。 在净截面抗拉强度计算中规定了有效宽度 销轴是按图2荷载模型计算剪力和弯矩。销轴承压、受剪和受弯承载力验算公式同螺栓。详见“17钢标”公式（11.6.4-1~5） ▲ 图 2 销轴受弯、受剪计算简图 对没有错层的无支撑框架和没有错层且从上到下连续布置有中心支撑的框架-支撑结构，采用一阶弹性分析方法并用柱计算长度系数法进行稳定性设计是比较完美的解决方案，可分别按照有侧移、无侧移框架确定柱计算长度系数和柱计算长度，并按“17钢标”8.2节的有关规定进行柱稳定性设计。对无支撑框架还可按照“17钢标”新增公式（8.3.1-3）进行优化设计，更充分利用同层所有柱子的轴压稳定承载力。该式体现出轴力大的柱将受到轴力小的柱在侧移刚度上的支援。 我们注意到，用“17钢标”式（8.3.1-3）优化设计计算长细比，对某些轴压力很小的柱子，因为它为其他柱子提供了侧向支撑刚度，故自身计算长度系数很大。长细比可能超出规范限值，这种情况是否允许，“17钢标”中没有明示。同理，轴力为零或为拉力时，采用式（8.3.1-3）计算出现异常现象，钢框架设计软件开发者在进行“自动计算柱计算长度系数”算法设计时应注意上述情况，避免提供异常的计算结果给工程师作为工程设计依据。此外，上述公式中的框架层侧移刚度K没有一个公认的解释解计算式，可采用在水平荷载如风荷载作用下的层剪力和层侧移之比求得，也可参考文献[4-5]利用无支撑框架柱临界力与侧移刚度的内在关系，用该层所有柱临界力求得。 中心支撑（人字撑、剪刀撑）的层侧移刚度Sb可按文献[1]的公式计算，并应满足“17钢标”式（8.3.1-6）强支撑框架层侧移刚度的要求。虽然“17钢标”强支撑框架判别式与“03钢规”相比系数有了调整，但根据以往工程实例，长细比符合规范要求的中心支撑，层侧移刚度一般能满足“17钢标”式（8.3.1-6）的要求。 我们注意到，“17钢标”强支撑框架判别式，即式（8.3.1-6）与“高钢规”强支撑框架判别式（7.3.2-10）不一致。 “17钢标”和“03钢规”的强支撑框架判别式均基于文献[2]中有侧移框架失稳模式中柱子“临界荷载的提高部分可以偏安全地正比于支撑的抗侧刚度”的原理。“高钢规” 则同时考虑支撑结构满足框架柱稳定支撑的层侧移刚度需要和承担水平力的承载力需要，在推导过程中对层侧移刚度项进行了简化，结果其判别式成为了支撑结构应力比限值由框架-支撑结构的二阶效应系数确定的公式，物理含义和“17钢标”判别式含义不同。希望两本设计标准在下次修订时可以将强支撑框架判别式统一起来。 随着抗震性能化设计方法的推广，相信在开敞式钢框架中会更多地采用偏心支撑。上述框架-支撑结构的中心支撑换成偏心支撑后，框架是否仍然可采用柱计算长度系数法进行稳定性设计？如果可以，那它是按有侧移框架还是按无侧移框架确定柱计算长度系数？ 在结构力学中，无侧移框架是指：在节点处的水平力作用下框架没有水平位移（忽略杆件轴向变形）；受这个概念影响，有些工程师误以为有侧移的框架均应按有侧移框架失稳模式确定柱计算长度系数。在“88钢规”中，无侧移框架是指框架中设有支撑结构且支撑结构的抗侧移刚度大于等于框架本身抗侧移刚度的5倍。通俗讲，框架承受的水平力小于等于总剪力的20%，则这个框架在“88钢规”中叫无侧移框架。显然，“88钢规”中的无侧移框架与结构力学中的无侧移框架不是一个概念，这20%的水平力要产生一定的水平位移。为了消除误解，“03钢规”改称强支撑框架，并给出了与“88钢规”不同的层侧移刚度需求判别式，概念更清晰。所以，依据“03钢规”或“17钢标”，若偏心支撑的层侧移刚度满足强支撑框架的要求，偏心支撑框架应当按无侧移框架确定柱的计算长度系数。与偏心支撑、带消能梁段的框架梁组成偏心支撑架的柱子因受偏心支撑、消能梁段影响，其计算长度系数需要以结构稳定理论为基础进行分析确定。当然，偏心支撑的层侧移刚度的计算要比中心支撑复杂。 开敞式钢框架区别于民用建筑，是没有围护结构且用于支承各种立式设备、卧式设备、空冷器及管道的多高层钢框架，没有刚性楼板，多为钢格板平台。因生产工艺条件限制，框架立面布置可能存在多处错层或竖向支撑从上到下不连续等不规则。部分柱子的失稳模式不能简单归为有侧移框架或无侧移框架失稳，这些柱子得到的侧向支撑刚度不易定量确定，所以也不是“03钢规”中弱支撑框架能解决的。相同几何长度的柱子按有侧移、无侧移框架两种失稳模式确定的柱计算长度系数及以此计算的轴压稳定系数可能相差几倍，所以，立面布置不规则的开敞式钢框架，计算长度取值的不确定性极大影响到结构的经济性和安全性。不规则的开敞式钢框架最好是采用二阶P-Δ弹性分析或直接分析。 如果用一阶弹性分析，对于竖向支撑局部某层不连续的情况，按照“17钢标”5.3.2条的规定，应当依据结构稳定理论确定柱计算长度。鉴于柱计算长度系数的明确含义，不难分析竖向支撑不连续层及其上下层的柱计算长度系数；对于有连续竖向支撑，局部因错层，柱段与支撑层间在高度上错开，建议借鉴摇摆柱的设计方法确定其计算长度系数。 图1 不规则钢框架实例 在轮压作用下，工字形截面吊车梁腹板上边缘的局部承压应力（图1）的计算公式是： 式中: 对于等效承压长度，欧洲规范EC3，苏联、英国BS5950、日本和美国，ISO均采用如下公式计算 式中: 图1 轮压下腹板的承压应力 图2 惯性矩的计算 本次标准修订中，将式(2)引入了GB50017-2017，使我国在承压应力计算上与西方发达国家的规范完全接轨。该公式也与我们的经验相符，参考图3的说明。 图3 重力的扩散 图4给出了国内外各规范对等效承压长度的算式。 图4 历史沿革 但是，《钢结构设计标准》GB50017-2017仍保留有2003版本的公式，采用 式(2)和式（3）差别很大。虽然标准未禁止采用式(3)计算轮压下的承压长度，但是，标准保留此式主要用于计算梁的支座处的局部承压应力。 式（2）来源于1934-1937年间苏联和欧洲科学家对弹性地基梁上作用集中力，求地基对梁的反力问题的求解，梁采用平截面假定，忽略了梁的剪切变形。地基则采用半无限平面模型。完全是一个理论解（精3.273）。 但是这个模型与吊车梁的受力有差别：(1)无法考虑荷载作用点高度的影响；（2）轨道梁的变形发生在局部范围，因而是一种短梁，须考虑剪切变形的影响。 考虑剪切变形后，相当于轨道的刚度下降了，扩散应力的能力下降，所以系数达不到3.25。两种系列的轨道有不同的剪切变形系数（图5），所以系数有差别。 图5 两种轨道的差别 王燕：钢结构抗震节点为贯彻国家提出的“鼓励用钢、合理用钢”的经济政策，根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011—2010及《构筑物抗震规范》GB50191—2012规定的抗震设计原则，针对钢结构特点，《钢结构设计标准》GB50017—2017（简称“17钢标”）中新增了17.3.8节和17.3.9节，均为钢结构节点的抗震性能化设计内容。其中，17.3.8节中提出的骨形节点是通过对梁翼缘进行局部削弱，使得塑性铰的位置发生外移；17.3.9节中提到的梁端加强型节点的设计思路是在不降低梁承载力前提下，在罕遇地震作用下同样可以获得较好的塑性发展，使节点具有很好的延性。两类节点的共同目的都是将塑性铰移到距柱面一定距离的梁上，从而避免塑性铰出现在韧度较差的焊接接头处，以确保构件具有足够的延性。 “17钢标”新增17.3.8节为有关骨形节点的设计内容。由于骨形节点是以削弱梁翼缘截面、降低梁承载力为代价，获得强震作用下梁的塑性发展，因此，《钢结构设计标准》GB50017—2017强调“内力分析模型按照未削弱截面计算时，纯框架结构侧移限值应乘以0.95；钢梁的挠度限值应乘以0.9；削弱截面的抗弯强度可按梁端弯矩的0.8进行验算；梁的线刚度可按等截面计算的数值乘以0.9计算。” 框架梁翼缘骨形削弱段的起始位置、削弱长度和削弱深度均会对节点抗震效果产生影响。当荷载达到一定数值后，在梁翼缘削弱区形成塑性铰，为了使该塑性铰有发展的空间范围，削弱区起点至柱面距离a不宜过小。其他条件相同时，随着a的增大，梁在削弱区域内更容易形成塑性饺，因此在进行梁翼缘骨形削弱设计时，削弱区起点至柱面距离应控制在一定范围之内；削弱长度b对承载力影响相对不如参数a和c明显，但为了保证应力在削弱区域内能够平稳传递，也给出了b取值的具体要求。削弱深度c对试件承载能力影响显著，c取值过小时，塑性铰不能有效外移；取值过大时，承载力下降过大，在未能充分利用削弱区腹板的耗能能力时，翼缘削弱区域已经发生较大的局部屈曲，试件进入了极限承载力状态，因此，应针对削弱深度c给出严格的取值区间。 基于上述原因，“17钢标”详细给出了a，b和c的计算公式，具体如下：  为保证加工精度，“17钢标”规定节点的骨形削弱段应采用自动切割的加工方式，如下图。 图17.3.8 骨形节点 “17钢标”新增17.3.9节为有关梁端加强型节点的内容。梁端加强型节点在连接区域局部加大梁截面，促使塑性铰外移，提高节点延性，节点应符合如下的相关规定： 1）如果能够做到加强后柱表面处的梁截面塑性铰弯矩等于 2）由于盖板加强型节点具有“盖板与梁翼缘采用同一条坡口与柱翼缘进行全熔透焊接”的特点，因此此处焊缝尺寸较大，焊接残余应力分布较为复杂，“17钢标”的17.3.9节指出“采用盖板加强型节点时，盖板的计算长度应以离开柱子表面50mm处为起点。” 3）采用翼缘板加强型节点时，翼缘的形状突变会产生应力集中现象，为减少应力集中的影响，“17钢标”规定应将宽板由截面改变位置以不小于等于1:2.5的斜角向弯矩较小侧过渡，即翼缘边的斜角不应大于1：2.5；加宽的起点和柱翼缘间的距离较长时，塑性铰外移的距离增加，柱中的弯矩变大，节点域周边平衡柱中弯矩的剪力增大，对节点域的要求提高；加宽的起点和柱翼缘间的距离较短时，塑性铰外移效果不充分，各方面力学性能与非抗震节点类似，因此，“17钢标”规定，加宽的起点和柱翼缘间的距离宜为（0.3~0.4）hb，其中hb为梁截面高度。 4）当梁柱节点采用梁端加强的方法来达到塑性铰外移的目的时，加强后的梁翼缘自由外伸宽度或厚度发生变化，此时若考虑截面部分发展塑性，为保证梁翼缘不丧失局部稳定，“17钢标”翼缘加宽后的宽厚比不应超过 5）当柱子为箱形截面时，由于柱翼缘对梁的约束能力增强，宜考虑钢梁腹板内力重分布，增加翼缘厚度。 勘察设计大师、规范主编 权威解答您的疑惑 |
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