《钢结构设计标准》解说专题(1)——截面等级

《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》（GB50017-2017）（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。S1~S3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？对应欧洲规范EC3的S1~S4截面，“钢标”将压弯和受弯构件的截面分成S1~S5五个截面等级，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，也给了一个限值。腹板的宽厚比（以往习惯叫高厚比），按梁腹板局部屈曲公式推导后的屈服宽厚比以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，与“钢标”实际取的限值对比如图。很明显，屈服宽厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，与“钢标”实际最终确定的限值并不完全一样。按照条文说明的解释，考虑到不同宽厚比等级的用途不同，并没有严格地按照屈服高厚比的倍数：限值大的放宽了，限值小的取得严格了。看一下下表“钢标”最终确定的截面等级及宽厚比限值，部分限值的确定，实际上参考了欧洲标准EC3（见下表），“钢规”塑性设计的腹板高厚比限值（下文还会说）等。同时需要注意，压弯构件腹板的宽厚比限值参考了EC3，与截面应力分布有关。另外，注5给开了一个口子：S5级截面如果应力较小时，有可作为S4级截面使用的可能。三、以往规范中有截面等级吗？虽然“钢标”第一次明确提出截面等级的概念并且在第3章就统一给出限值，实际上以往的规范中，还是有一些截面等级的影子。1《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（“钢规”）“钢规”关于截面等级（板件宽厚比）的规定分散在受弯、压弯构件的计算及塑性设计各章节中。比如，对于受弯构件的强度计算，规定如下：不考虑截面塑性发展系数，翼缘宽厚比限值15（Q235），考虑塑性发展系数13（Q235），实际上就是定义了上述的两种截面等级：S4和S3。梁的腹板局部稳定计算，实际上又给出了弹性截面的宽厚比限值。比如，梁的受弯通用高厚比定义为这个150（Q235）和130（Q235）实际上就是弹性截面的腹板宽厚比限值。塑性设计时，要求如下：这是作为宽厚比限值的构造要求给出的，看着眼熟不？和“钢标”塑性截面的某些宽厚比限值很接近不是？2《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（“抗规”）“抗规”第8章，作为抗震构造措施，对框架梁、柱的板件宽厚比有如下要求：虽然没有明确说截面等级，但实际上就是截面延性的要求或者等级，本质上和“钢标”截面等级是一回事，表达塑性铰的塑性转动耗能能力。但是上述的要求是根据抗震等级来提的，强制性要求钢结构框架都得延性耗能，同时要求延性构造，控制板件宽厚比——烈度大地震作用大就严一点，和“钢标”的抗震设计概念不同（后续的专题会专门讨论）。“抗规”第9章，单层钢结构厂房和多层钢结构厂房中的单层及不超过40m的，有如下的规定：并在条文说明中给出了三类截面等级A、B、C：腹板宽厚比限值的72（Q235）和130（Q235），实际上沿用了塑性设计和梁腹板弹性屈曲的数值。“抗规”第9.2节这些规定，实际上是“钢标”第3章截面等级以及第17章“钢结构抗震性能化设计”的前身和影子。四、设计中如何应用截面等级？截面等级实际上和构件承载力以及抗震设计密切相关。稍微翻一下“钢标”就能看到，截面等级在构件强度计算的各章以及第17章“钢结构抗震性能化设计”中都出现了，甚至可以说它串起了各章节。这也是为什么第一个专题要说它的原因。设计中怎么用，很难一两句话说清楚，在后续的专题中，尤其是抗震设计中，会详细说明截面等级怎么用。五、后续专题（暂定）初步拟定了一些专题，过程中可能会有调整，有空继续：《钢结构设计标准》解说专题（2）——新术语解释《钢结构设计标准》解说专题（3）——门规、抗规、钢标的逻辑关系《钢结构设计标准》解说专题（4）——抗震设计《钢结构设计标准》解说专题（5）——梁的整体稳定《钢结构设计标准》解说专题（6）——梁的局部稳定《钢结构设计标准》解说专题（7）——节点域设计《钢结构设计标准》解说专题（8）——柱脚设计《钢结构设计标准》解说专题（9）——疲劳设计《钢结构设计标准》解说专题（10）——关于屈服承载力和塑性承载力