中美冷成型钢结构设计规范比较

第1页共5页中美冷成型钢结构设计规范比较孙彤∗王士奇山东省冶金设计院，济南250014摘要：主要介绍中美冷成型钢设计规范在发展历程、使用范围、设计方法以及有效宽度和冷作强化效应的计算等方面存在的差异，并提出了一些建议。关键词冷成型钢；计算方法；设计规范；有效宽度；直接强度法COMPARISONOFCHINESEWITHNORTHAMERICANCODEOFCOLD-FORMEDSTEELSTRUCTURALMEMBERSSunTongWangShiqi（MetallurgicalDesignInstituteofShandongProvince,Jinan250014,China）ABSTRACTTherearesomedifferencesbetweenChineseandNorthAmericancodeofcold-formedsteelstructuralmembers,suchascourseofdevelopment,serviceablerange,designmethodandcalculationmethodofeffectivewidthandstrainhardening,whicharemainlypresentedandsomeadviceareputforwardinthispaper.KEYWORDSCold-formedsteel,Calculationmethod,Designcode,Effectivewidth,Directstrengthmethod1引言冷成型钢构件由钢板通过冷加工制成，相对于热轧型钢，板件宽厚比较大，可以加工成多种形式的经济截面，得到令人满意的强度重量比，达到优化截面的目的，设计时可以不受现有截面形式的限制，满足不同的设计要求[1]。对于冷成型钢构件的设计，中国现行规范是冷弯薄壁型钢结构技术规范（GB50018-2002）（以下简称中国规范），美国、加拿大、墨西哥、英国、澳大利亚、欧洲、南非等国家都有自行制定的冷成型钢结构设计规范，这些规范基本上都是基于北美冷成型钢结构设计规范（NorthAmericanSpecificationfortheDesignofCold-FormedSteelStructuralMembers，2001）（以下简称北美规范）。虽然中美冷成型钢设计规范都是使用有效宽度的设计方法考虑屈曲后强度，但在使用范围以及考虑因素等方面存在着一定的差异。为了使设计人员更好地理解和使用两个规范，本文主要介绍两规范存在的差异，并通过纯弯构件有效宽度的计算实例予以说明。2中美规范对比虽然中国规范在一些方面借鉴了北美规范，如在考虑屈曲后强度时都是使用有效宽度的方法。但在发展历程、使用范围以及有效宽度和冷作强化效应的计算方法等方面还存在着一些差异，以下详述中美两规范的差异。2.1发展历程∗孙彤(1964.5-)，男，高级工程师第2页共5页中国自五十年代起开始对冷弯薄壁型钢结构进行研究，1969年颁布了第一部《弯曲薄壁型钢结构技术规范》草稿，1975年修订为《薄壁型钢结构技术规范》(TJl8-75)试行，1987年颁布了国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GBJl8-87)，2002年颁布了国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB500l8-2002)。国外冷弯薄壁型钢的计算理论研究始于美国，1939年美国钢铁协会（AISI）出资在康纳尔大学(CornellUniversity)由乔治·温持(GeorgeWinter)教授负责对冷弯薄壁型钢的设计理论进行了研究，并做了大量的试验。在此基础上，世界上第一本冷弯薄壁型钢结构构件的容许应力设计（ASD）设计规范于1946年问世。1991年，第一版荷载抗力系数设计（LRFD）规范由AISI发行，1996年，AISI将ASD规范和LRFD规范合并成一本规范，1999年，AISI发布了1996年版AISI规范的补充，2001年，美国、加拿大和墨西哥三个国家把以前版本的美国AISI规范和加拿大的S136规范合并在一起，形成了现行的《北美冷成型钢构件设计规范》。2.2使用范围中国冷成型钢结构设计规范仅适用于工业与民用房屋和一般构筑物的经冷弯（或冷压）成型的冷弯薄壁型钢结构的设计与施工，构件壁厚不宜大于6mm，也不宜小于1.5mm（压型钢板除外），主要承重结构构件的壁厚不宜小于2mm，不适用于承受直接承受动力荷载的承重结构[2]；对用于承重结构的冷弯薄壁型钢的带钢或钢板，只限于采用符合现行规范《碳素结构钢》GB/T700规定的Q235钢和《低合金高强度结构钢》GB/T1591规定的Q345钢，只有在具有可靠依据且符合相应有关国家标准要求时才能采用其他牌号的钢材；非加劲板件、部分加劲板件和加劲板件宽厚比的限值，Q235钢分别为45、60、250，Q345钢分别为35、50、200；主要受压构件的长细比限值为150，其他构件和支撑为200。北美冷成型钢结构设计规范适用于由厚度不超过1in（25.4mm）的碳素或低碳钢片、带钢、钢板、型钢等冷加工形成的结构构件设计，如果适当考虑了动力效应后，冷成型构件除了用于建筑上，还可以用于其他结构上[3]；规范规定可以使用15种钢材，不仅包括A36(Q235)和A588(Q345)钢，也包括很多更高强度的钢材，如A875、A1003和A1011等；非加劲板件、部分加劲板件和加劲板件宽厚比的限值分别为60、60、500；受压构件长细比限值为200。2.3设计方法以及表达形式中国冷成型钢结构设计规范规范采用的是以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项系数设计表达式进行计算，设计公式采用应力的表达形式。与北美冷成型钢结构设计规范中的荷载与抗力系数设计（LRFD）类似[2]。北美冷成型钢结构设计规范将传统的容许应力设计法(ASD)和荷载抗力系数设计法(LRFD)以及极限状态设计法（LSD）融于一本，其中极限状态设计（LSD）仅限于加拿大，而荷载与抗力系数设计（LRFD）、容许应力设计（ASD）限于美国与墨西哥。LRFD与LSD设计方法是通过适当的抗力系数实现，而ASD设计方法是通过适当的安全系数实现，设计公式采用力的表达形式[3]。2.4冷作强化的计算方法中国规范规定的计及冷作强化效应的冷弯薄壁型钢强度设计值可按下式计算[2]：()fltfNii⎥⎦⎤⎢⎣⎡∑−+==1'210121πθγη式中：η——成型方式系数，对于冷弯高频焊（圆变）方、矩形管，取＝1.7；对于圆管和其他方式第3页共5页成型的方、矩形管及开口型钢，取=1.0；γ——yu/FF，钢材的抗拉强度与屈服强度的比值，对于Q235钢取=1.58，对于Q345钢取=1.48；n——型钢截面所含棱角数目；iθ——型钢截面上第i个棱角所对应的圆周角，以弧度为单位；l——型钢截面中心线的长度，可取型钢截面积与其厚度的比值。该公式是金昌成通过理论推导给出的简化公式。式中考虑了成型方式、yu/FF和tR/的影响，yu/FF越大或tR/越小冷成型后的屈服强度也就越大，反之亦然，该计算方法考虑了成型方式对屈服强度的影响，多次成型会更大地提高屈服强度。北美规范中考虑冷加工对钢材力学性能影响的全截面抗拉屈服强度可按下式计算[1,3]：yfycya)1(FCCFF−+=mycyc)//(tRFBF=()79.1/819.0/69.32yuyuc−−=FFFFB068.0/192.0myu−=FF式中：yaF——全截面抗拉屈服强度；ycF——角部平均抗拉屈服强度；yfF——平板部分的平均抗拉屈服强度；C——弯角面积与总横截面面积之比。本公式由卡恩（Karren）根据热轧型钢提出的冷成型钢考虑冷加工效应的屈服强度计算公式，该公式考虑了yu/FF及tR/对冷成型截面力学性能的影响。该公式不适用于yu/FF1.2、tR/7，和角度最大值超过120º的截面。文献[4]中的分析结果表明，中国规范计算结果偏于保守，但考虑到国内对厚壁冷成型钢的理论和试验研究不足，偏于保守地取值也是必要的。并且该公式在理论上较为严谨，克服北美规范中的缺陷，在准确性、可靠性及通用性等方面都有所改进，应用简便；而北美规范由于没有考虑成型过程中存在末屈服区及其对屈服强度的贡献，在tR/较大时可能给出低于母材屈服强度的结果，同时由于在理论分析中采用有限范围的数字解的回归以及表达技巧等原因，使得该公式物理含义不够清楚，准确性、可靠性及通用性不甚好。2.5有效宽度的计算方法在计算有效宽度时，中国的冷成型设计规范给出的受压板件有效宽厚比的计算公式是以板组(而不是单板)作为分析单元的，考虑了相邻板件对计算板件的约束影响，首次考虑了板组效应的影响，并且弯角部分不单独考虑，只把整个截面宽度当作平直部分考虑，即如图1(a)所示，考虑翼缘B对腹板A的约束，而不再考虑弯角部分C的影响[2]。而北美规范单独考虑弯角部分，如图1(b)所示，认为弯角部分C全部有效，然后再计算截面平直段的有效宽度，且不考虑翼缘B对腹板A的影响[3]。第4页共5页以下以纯弯C型钢构件为例，其中上部翼缘均匀受压，腹板非均匀受压，截面尺寸如图2所示，Fy=345MPa，计算截面的有效宽度，结果如表1所示。分析结果表明，中国规范计算工程简单，结果偏于保守，并且考虑了板组效应的影响，而北美规范计算较为繁琐，未考虑板组效应的影响。表1截面有效宽度计算表（单位：mm2）中国规范北美规范板件有效宽度个数汇总板件有效宽度个数汇总受压腹板380.81352.3受压腹板447.41447.4受压翼缘84.7184.7受压翼缘107.61107.6受压卷边21.5121.5受压卷边5.515.5受压弯角———受压弯角19.9239.8受拉翼缘169.11169.1受拉翼缘152.61152.6受拉卷边34.2134.2受拉卷边26.6126.6受拉弯角———受拉弯角19.9239.8截面有效宽度690.3截面有效宽度819.33结论通过以上分析，可得出以下结论：1)中国规范对壁厚的限制是6mm，并且只限于使用Q235和Q345钢，对板件宽厚比和构件长细比的限制也较为严格；而北美规范可以使用更高强度的钢材，对厚度、板件宽厚比和构件长细比的限制也较为宽松。2）中国规范仅采用了概率极限状态设计法的表达形式，而北美规范采用了容许应力设计法(ASD)和荷载抗力系数设计法(LRFD)以及极限状态设计法（LSD）三种形式，其适用范围较广。3)中国规范采用应力的设计表达形式，在稳定计算中，概念不清晰，容易把稳定和强度的概念混淆在一起；而北美规范采用力的设计表达形式，概念清新。4)中国规范关于计算冷作强化效应方法偏于保守，在准确性、可靠性及通用性等方面都有所改进；而北美规范的理论分析中采用有限范围的数字解的回归以及表达技巧等原因，使其计算公式的物理含义不够清楚，准确性、可靠性及通用性不甚好。5)中国规范在计算有效宽度时不单独考虑弯角部分，只把整个截面宽度当作平直部分考虑，考虑了第5页共5页板组效应，结果偏于保守；而北美规范单独考虑弯角部分，认为其完全有效，然后再计算截面平直段的有效宽度，概念清晰，非均匀应力下板件的有效宽度计算需要多次迭代。6）中国规范对屋架、刚架以及构件制作、安装和防腐等内容进行了规定，而北美规范中没有涉及，但北美规范具有特殊情况下的试验和冷成型钢件疲劳设计的条文。7）对于受弯构件，北美规范单独规定了高厚比限值，并对承受集中荷载时腹板压皱问题进行了详细规定，而中国规范对此并未做出具体规定。8）北美规范2004的补充条文中已经允许使用直接强度法进行冷成型钢构件进行设计,虽然我国对此已有研究，但规范尚未涉及。总之，两个规范各有优缺点，中国规范所涉及的范围相对较窄，应力的设计表达式的概念不够清晰，首次考虑了板组效应的影响，计算过程较为简单，结果偏于保守；而美国规范所涉及的范围较广，规定较为细致，力的设计表达式概念清晰。4建议通过比较两个规范，可以明显地发现中国规范还存在着一些不足，可以从以下几方面改进：1）随着冷成型钢生产状况的改善和生产能力的日益发展，我