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【鋼結構設計】如何按新鋼標控制寬厚比?
日期:2020-07-03 人氣:194 收藏

新鋼標全新引入了截面板件寬厚比等級的概念,但在截面等級的理解及實際設計應用上,存在不少疑問。我們都知道,板件寬厚比大小直接決定了鋼構件的承載力及受壓、彎構件的塑性轉動能力,在很多規范中對寬厚比的限值均有要求,但控制依據有所不同。

《鋼結構設計標準》GB50017-2017(簡稱“新鋼標”)第3.5節,按照截面承載力和塑性轉動能力,將截面分為五個等級S1-S5,全新引入了截面板件寬厚比等級(截面等級)的概念。關于截面等級的涵義、如何理解以及如何在設計中如何應用,存在不少的疑問。板件寬厚比大小直接決定了鋼構件的承載力和受彎及壓彎構件的塑性轉動能力,在《鋼結構設計規范》GB50017-2003(簡稱“舊鋼規”)、《建筑抗震設計規范》GB50011-2010(簡稱“抗規”)、《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》GB51022-2015(簡稱“門規”)及《高層民用建筑鋼結構技術規程》JGJ99-2015(簡稱“高鋼規”)中對于高厚比和寬厚比的限值均有要求。

抗規及高鋼規均按照抗震構造措施的抗震等級進行高厚比限值的控制。對于單層鋼結構及多層鋼結構廠房抗規有特殊的要求。門規對鋼構件的寬厚比及高厚比限值的控制是判斷該構件的強度及穩定組合是否是地震作用控制而確定。新鋼標對于寬厚比及高厚比限值是按照板件寬厚比等級進行控制,這與之前舊鋼規及抗規中的“寬厚比”和“高厚比”兩個名詞不太相同,已經統稱為“寬厚比”了。新鋼標與其他幾本規范對于寬厚比與高厚比的限值要求既有區別又有聯系,在實際抗震設計中,如何正確的確定板件寬厚比限值比較混亂。本文系統梳理各規范對于寬厚比限值的要求,提出了在設計中如何進行寬厚比限值的控制,同時結合算例展示PKPM軟件如何實現對于鋼構件寬厚比及高厚比限值的控制。

按新鋼標條文說明,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。絕大多數鋼構件由板件構成,而板件寬厚比大小直接決定了鋼構件的承載力和受彎及壓彎構件的塑性轉動能力。換句話說,截面等級就是截面承載力和塑性轉動能力的表征。因此,從承載力角度來說,截面等級是板件易發生屈曲程度和截面塑性發展程度的度量;從塑性設計和抗震設計角度而言,是截面塑性轉動和延性耗能能力的等級。所以,新鋼標按照根據截面承載力和塑性轉動能力,參考國際標準,并考慮到我國在受彎構件設計中采用截面塑性發展系數γx,新鋼標將截面根據其板件寬厚比分為五個等級S1~S5,各級截面對應的性能,按照截面受彎的力學性能已經給出了很明確的描述。


S1級截面:可達全截面塑性,保證塑性鉸具有塑性設計要求的轉動能力,且在轉動過程中承載力不降低,稱為一級塑性截面,也可以稱為塑性轉動截面;此時圖1所示的曲線1可以表示其彎矩-曲率關系。?p2一般要求達到塑性彎矩Mp除以彈性初始剛度得到的曲率?p的8~15倍。


S2級截面:可達全截面塑性,但由于局部屈曲,塑性鉸轉動能力有限,稱為二級塑性截面;此時彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線2,?p1大約是?p的2~3倍。


S3級截面:翼緣全部屈服,腹板可發展不超過1/4截面高度的塑性,稱為彈塑性截面;作為梁時,其彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線3。


S4級截面:邊緣纖維可達到屈服強度,但由于局部屈曲而不能發展塑性,稱為彈性截面;作為梁時,其彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線4。


S5級截面:在邊緣纖維達到屈服應力前,腹板可能發生局部屈曲,稱為薄壁截面;作為梁時,其彎矩-曲率關系如圖1所示的曲線5。


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