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        中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比及工程應(yīng)用分析

        2020-09-29 01:54:18陳永強(qiáng)
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年16期
        關(guān)鍵詞:美標(biāo)設(shè)計(jì)規(guī)范屈曲

        陳永強(qiáng)

        (藍(lán)星工程有限公司,北京100143)

        1 引言

        我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起步相對(duì)較晚,美國(guó)作為第一陣營(yíng)的發(fā)達(dá)國(guó)家。本文以我國(guó)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》為基準(zhǔn),對(duì)比美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)AISC-ASD、AISC-LRFD 以及AISC360 等標(biāo)準(zhǔn)。

        2 中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)比及工程應(yīng)用分析

        2.1 受壓件寬厚比

        實(shí)腹軸心受壓構(gòu)件要求不出現(xiàn)局部失穩(wěn),基于我國(guó)GB 50017 規(guī)范,其板件寬厚比應(yīng)符合下列規(guī)定:

        H 形截面腹板的寬厚比為:

        式中,λ 為構(gòu)件的較大長(zhǎng)細(xì)比,當(dāng)λ<30 時(shí),取30;當(dāng)λ>100時(shí),取100;h0、tw分別為腹板計(jì)算高度和厚度,按GB 50017—2017 表3.5.1 的注2 取值;εk為鋼號(hào)修正系數(shù)。

        H 形截面翼緣板的寬厚比為:

        式中,b和tf分別為翼緣板自由外伸寬度和厚度。

        T 形截面翼緣寬厚比限值按式(1)確定。

        T 形截面腹板寬厚比限值為:熱軋剖分T 形鋼:h0/tw≤(15+0.2λ)εk;焊接T 形鋼:h0/tw≤(13+0.17λ)εk。對(duì)于焊接構(gòu)件,h0取腹板高度hw;對(duì)于熱軋構(gòu)件,h0取腹板平直段長(zhǎng)度,簡(jiǎn)要計(jì)算時(shí)可取h0=hw-hf(hf為角焊縫的焊腳尺寸),但不能小于hw-20mm[1]。

        2.2 軸心受拉和受壓強(qiáng)度計(jì)算

        據(jù)我國(guó)GB 50017—2017,軸心受拉和受壓強(qiáng)度計(jì)算方法為:

        非高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接處:

        強(qiáng)度螺栓摩擦型連接處按式(5)計(jì)算:

        式中,δ 為截面強(qiáng)度;N為所計(jì)算截面拉力設(shè)計(jì)值;An為凈截面積;f為鋼材抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;n為節(jié)點(diǎn)處構(gòu)件一端連接的高強(qiáng)度螺栓數(shù);n1為所計(jì)算截面高強(qiáng)度螺栓數(shù),A為毛截面面積。

        美國(guó)規(guī)范(AISC360)中受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)有2 種方法,即分別按照ASD 方法(用抗拉強(qiáng)度Pn/Ωt)和LRFD 方法(抗拉強(qiáng)度φtPn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。依據(jù)全截面受拉屈服和凈截面受拉斷裂時(shí)的兩種極限強(qiáng)度的較小值考慮:凈截面:Pn=FuAe(Ωt=2.00,φt=0.75);全截面:Pn=FyAg(Ωt=1.67,φt=0.9)(其中,Ae為有效凈面積;Ag為構(gòu)件毛截面積;Fy和Fu為最小屈曲應(yīng)力及鋼材類型;Pn為標(biāo)稱軸向強(qiáng)度;Ωt為拉緊時(shí)安全因素;φ 為阻力因素)。

        通過中美兩國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比較規(guī)范可以看出,中美規(guī)范中都對(duì)凈截面斷裂和毛截面屈服進(jìn)行了規(guī)范設(shè)計(jì),美標(biāo)對(duì)凈截面設(shè)計(jì)更加詳細(xì)(尤其是對(duì)效率問題進(jìn)行了設(shè)計(jì)),我國(guó)相關(guān)規(guī)范則沒有對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        2.3 受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)

        我國(guó)GB 50017—2017 對(duì)受彎構(gòu)件的強(qiáng)度做了如下描述:

        在主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹構(gòu)件,其受彎強(qiáng)度應(yīng)按式(6)計(jì)算:

        在最大剛度主平面內(nèi)受彎的構(gòu)件,其整體穩(wěn)定性應(yīng)按式(7)計(jì)算:

        式中,Mx、My為同一截面處繞x、y軸產(chǎn)生的彎矩;Wnx、Wny為x、y軸凈截面毛量;rx、ry為對(duì)主軸x、y截面塑性發(fā)展系數(shù);ψb為梁的整體穩(wěn)定系數(shù)。Wx、Wy為對(duì)強(qiáng)軸和弱軸的毛截面量。

        美標(biāo)(AISC360,F(xiàn) 章節(jié))中要求根據(jù)對(duì)應(yīng)狀態(tài)選擇相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算,如針對(duì)雙軸對(duì)稱I 型截面或槽型截面繞強(qiáng)軸彎曲的計(jì)算,應(yīng)根據(jù)截面屈服和水平扭轉(zhuǎn)屈曲(彎扭屈曲)兩種極限狀態(tài)最小值:當(dāng)Lb≤Lp時(shí),不發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)屈曲;Lb>Lr時(shí),Mn=FcrSx<Mp,否則Mn=Cb{Mp-[Mp-0.7FySx(Lb-Lp)/(Lr-Lp)]}≤Mp(式中,F(xiàn)cr為臨界應(yīng)力;Sx為在x軸線附近所采取的彈性截面模量;Fy為正在使用的鋼材類型中特定的最小屈服應(yīng)力;Cb為非均勻力矩圖表在無支撐片段得到支撐時(shí)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)壓修訂因素;Mp為塑性彎矩;Lb為限制受彎構(gòu)件受壓翼緣側(cè)向位移或截面扭轉(zhuǎn)的支撐間距;Lr為非彈性水平扭轉(zhuǎn)屈曲側(cè)向無支撐臨界長(zhǎng)度;Lp為用于限制屈服時(shí)的限制側(cè)面無支撐長(zhǎng)度)。

        通過中美兩國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比較可以發(fā)現(xiàn),我國(guó)受彎構(gòu)件承載力計(jì)算是利用精確計(jì)算法進(jìn)行整體穩(wěn)定性設(shè)計(jì),公式適用性更強(qiáng);而美標(biāo)抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為ψbMn(ψb為0.9 時(shí)),除驗(yàn)證整體穩(wěn)定性外,還會(huì)對(duì)非厚實(shí)、柔薄截面腹板局部屈曲進(jìn)行驗(yàn)算[2]。需要說明的是僅僅通過上述3 個(gè)實(shí)例是不可能全面對(duì)兩國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)體系進(jìn)行比較的,本文只是提供了研究思路,為更深入地研究?jī)蓢?guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范體系提供參考。

        3 中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程應(yīng)用中的分析

        應(yīng)用相同鋼材料——國(guó)標(biāo)Q345,采取表,中規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷組合,進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)。

        表1 中美規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計(jì)荷載組合

        通過梁構(gòu)件美中應(yīng)力比值數(shù)據(jù)比較可以得到,中美標(biāo)準(zhǔn)下梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力比差別接近。由表2 柱構(gòu)件中美應(yīng)力比值數(shù)據(jù)可以得到,中美標(biāo)準(zhǔn)下柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力比差別接近。

        表2 柱構(gòu)件比較

        由表3 垂直支撐構(gòu)件美中應(yīng)力比值數(shù)據(jù)可以得到,中美標(biāo)準(zhǔn)下垂直結(jié)構(gòu),美國(guó)規(guī)范要好于我國(guó)。兩國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系下默認(rèn)為相同截面,分別對(duì)比梁、柱和支撐構(gòu)件應(yīng)力發(fā)現(xiàn),鋼結(jié)構(gòu)梁構(gòu)件和柱構(gòu)件的設(shè)計(jì)方面中美兩國(guó)安全水平相似,支撐構(gòu)件方面,美國(guó)明顯好于中國(guó)。

        表3 垂直支撐構(gòu)件比較

        4 結(jié)語

        本文以鋼結(jié)構(gòu)概念為切入點(diǎn),簡(jiǎn)要介紹了我國(guó)和美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范背景,并以此選取若干規(guī)范內(nèi)容對(duì)兩國(guó)規(guī)范體系進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比,最后介紹中美兩國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用設(shè)計(jì),對(duì)比發(fā)現(xiàn)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范方面經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已有長(zhǎng)足的進(jìn)步,具備了自身的特點(diǎn)和特色。

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