《钢结构设计标准》解说专题(1)——截面等级
13页1、钢结构设计标准解说专题(1)截面等级 原创: 牛必任 从钢结构到装配式钢结构建筑 今天 钢结构设计标准 (GB 50017-2017) (简称“钢标”)终于发 布,各种宣讲也不少了。笔者无意再面面俱到去把“钢标”条文捋一 遍,而是想,就“钢标”涉及的一些技术要点或者说比较费解的专题 进行解说,希望顺带能说清楚,它们的前世今生。 “钢标”在第 3.5 节, 全新引入了截面板件宽厚比等级 (截面等级) 的概念。关于截面等级的涵义、如何理解以及如何应用,存在不少 的疑问,“钢标”解读的第一个专题, 就来说说截面等级 (如果较真的 话,关于钢结构材料选用,作为原来文章的修订“钢结构的材料 等级,你知道咋选吗?”,已于 8 月 10 日在本公众号发布,现在这 个只能算是第二个专题)。 一、截面等级究竟是个啥意思? 首先从表面上来看, 钢构件由板件构成, 而截面等级说的就是截 面板件宽厚比等级。 截面板件宽厚比,按“钢标”的条文说明“截面板件宽厚比指 截面板件平直段的宽度和厚度之比,受弯或压弯构件腹板平直段的 高度与腹板厚度之比也可称为板件高厚比。”需要注意,以往规范中 的“宽厚比”和“高厚比”两
2、个名词, 现在实际上已经统称为“宽厚比”了。 截面板件宽厚比, 是截面厚实程度的一个度量。 从本质上来说, 它直接决定了钢构件的承载力、受弯及压弯构件的塑性转动变形能 力(延性耗能能力)。换句话说,截面等级就是截面承载力和塑性 转动能力的表征。因此,从承载力角度来说,截面等级是板件易发 生屈曲程度和截面塑性发展程度的度量;从塑性设计和抗震设计角 度而言,是截面塑性转动和延性耗能能力的等级。 所以“钢标”按照根据截面承载力和塑性转动能力, 参考国际标准, 将截面分为五个等级。实际上这比国际上常规分为四个等级的做法 多了一个等级,是因为老的“钢规”中受弯构件一直以来都考虑了塑 性发展系数(即可部分发展塑性的截面),因为这个历史原因,截 面增加了一个等级 S3。 各级截面对应的性能, 实际上“钢标”按照截面受弯的力学性能已 经给出了很明确的描述: 其中尤其需要注意的是,S4 级截面,它的界限,是边缘纤维刚 好达到屈服的状态。S1S3 级截面,能发展截面塑性,而 S5 级截 面,在边缘屈服未达到时,板件就已发生局部屈曲,只能考虑有效 截面进行计算。 二、“钢标”中的截面等级咋确定的? 对应欧洲
3、规范 EC3 的 S1S4 截面,“钢标”将压弯和受弯构件的 截面分成 S1S5 五个截面等级,其中 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。 “钢标”的截面等级确定,主要依据板的弹性稳定理论,同时参考 了国外规范以及一些经验值。 按照 S4 级截面描述的边缘屈服同时板件刚好发生局部屈曲这 个临界状态,可按弹性稳定的公式进行板件宽厚比限值(屈服宽厚 比)的推导。 比如, 对工字形截面的翼缘, 按三边简支一边自由的板件计算, 临界应力达到屈服应力 235MPa 时板件宽厚比为 18.6。按屈服宽 厚比的 0.5、0.6、0.7、0.8 和 1.1 倍适当取整,作为五个截面分级 的宽厚比限值,并给了一个表格来对比说明。 需要说明的是,0.5、0.6、0.7、0.8 和 1.1 这个系数实际是带有 经验性的。 S4 级截面按 0.8, 是考虑了残余应力和几何缺陷等影响, S5 级截面本来应该是允许板件弹性屈曲而按照有效截面计算的, 但 考虑到自由边板件局部屈曲后可能带来截面刚度中心的变化,从而 改变构件的受力,也给了
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