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王立军权威解读新钢规《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)重大变化
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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App直接决定了这种方法的应用前景。目前,香港地区的 Nida App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取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。特别是着重先容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。在中国冰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。
参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构设计标准:GB 50017—2017[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2018.
[2]王立军. 《钢结构设计规范》回顾与展望[J]. ca88亚洲成,2015(7):82 -83.
[3]沈祖炎. 中国钢结构设计规范的发展历程[J]. 建筑结构学报,2010(6):1 -6.
[4]陈绍蕃. 钢结构设计规范的回顾与展望[J]. 工业建筑,2009,39(6):1 -5.
[5]魏明钟. 钢结构设计新规范应用讲解[M]. 北京:中国建筑工业出版社,1989.
来源:王立军. GB 50017-2017《钢结构设计标准》简述[J]. 钢结构,2018,33(6):77-79.
文章转自:钢结构

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