陳永強(qiáng)
(藍(lán)星工程有限公司,北京100143)
我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起步相對較晚,美國作為第一陣營的發(fā)達(dá)國家。本文以我國GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》為基準(zhǔn),對比美國鋼結(jié)構(gòu)AISC-ASD、AISC-LRFD 以及AISC360 等標(biāo)準(zhǔn)。
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。對于焊接構(gòu)件,h0取腹板高度hw;對于熱軋構(gòu)件,h0取腹板平直段長度,簡要計(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]。
據(jù)我國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)對凈截面設(shè)計(jì)更加詳細(xì)(尤其是對效率問題進(jìn)行了設(shè)計(jì)),我國相關(guān)規(guī)范則沒有對此進(jìn)行設(shè)計(jì)。
我國GB 50017—2017 對受彎構(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)對應(yīng)狀態(tài)選擇相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算,如針對雙軸對稱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)向無支撐臨界長度;Lp為用于限制屈服時(shí)的限制側(cè)面無支撐長度)。
通過中美兩國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范比較可以發(fā)現(xiàn),我國受彎構(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,還會對非厚實(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)例是不可能全面對兩國鋼結(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,為更深入地研究兩國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范體系提供參考。
應(yīng)用相同鋼材料——國標(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),美國規(guī)范要好于我國。兩國標(biāo)準(zhǔn)體系下默認(rèn)為相同截面,分別對比梁、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)方面中美兩國安全水平相似,支撐構(gòu)件方面,美國明顯好于中國。
表3 垂直支撐構(gòu)件比較
本文以鋼結(jié)構(gòu)概念為切入點(diǎn),簡要介紹了我國和美國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范背景,并以此選取若干規(guī)范內(nèi)容對兩國規(guī)范體系進(jìn)行簡要的對比,最后介紹中美兩國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程應(yīng)用設(shè)計(jì),對比發(fā)現(xiàn)我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范方面經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已有長足的進(jìn)步,具備了自身的特點(diǎn)和特色。