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国内外钢结构设计规范的比较探究

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摘要:轻质、抗争性能突出以及建造速度快等,这是钢结构比较独特的优点。尤其相较于混凝土结构,钢结构相对环保,不会对环境造成过多的污染或是破坏。经济建设步伐日渐地加速,钢结构在诸多领域中也开始被运用,同时也引入到不同的发展阶段。故此,笔者将对国内外钢结构不同的设计规范进行分析。

关键词:钢结构;设计;规范;比较

引言

在建筑领域,钢结构设计已有较长的应用时间。众所周知,钢结构有诸多的优势。和从前的混凝土、砌体等多种结构相比,其性能相对平稳,质量比较轻且强度偏高,有不错的抗震性能。施工活动中,从厂房加工到正式装配,其完整度相对偏好,且精密度也比较高。同时,也能缩短施工进度和减少工期。

1钢结构分类

钢结构,大致有轻钢、设备钢以及重钢三种不同的结构。(1)重钢:①厂房行车起吊重量,25t以上;单位平米用钢量:≥50kg/m2。石化厂房设施、电厂厂房或是轧钢炼钢车间等,同时也适用于高层以及超高层钢结构。(2)轻钢:承重结构基本上是实腹门式刚架,轻型屋面或是外墙,没有吊车或是吊车起重量<20t;工作级别在中轻级以下的钢结构建筑。(3)设备钢结构,即大型设备内部的钢结构部分。下列结构,均能划入到设备钢结构的基本范畴:架桥机、NN2机、起重机以及大型设备支架。它们对精密性或是材质均有比较严格的要求,属于典型的精密钢结构。针对成套设备,其受力部分最为突出,且功能上有不错的结构性作用。

2钢结构的适用范围

根据种种优势,钢结构大多适用于跨度、高度、荷载以及动力作用相对偏大的工程结构。譬如说:厂房内部的承重骨架或是吊车梁;大跨度屋盖或是建筑骨架,同时还包含大跨度桥梁等等。此外,起重机或是桅杆结构以及石油化工设备自身的框架等,同样也有所运用。各种临时性展览馆、混凝土模板或是建筑工地用房等,也经常可以看到。轻型钢结构,则对跨度相对偏小的轻屋面或是自动化高架仓库比较合适。容器、炉体结构或是大直径管道等,其材料均为常用钢材。

3国内外钢结构设计规范的比较

3.1构件的局部稳定性要求规范对比针

对受压构件,两国规范对其局部稳定提出了不同的计算公式。中国规范,仅仅是对多种不同的截面设定了宽厚比限值。而美国规范,根据宽厚比限值有效地对截面进行区分:一类为厚实截面,二类为非厚实截面,三类为柔薄截面。屈曲分析中,对各个截面也有具体的极限状态,如弯曲、弯扭或是翼缘局部屈曲等等。对于柔薄截面加劲或是未加劲构件,需根据截面应力或是有效面积来对极限强度进行折减。

3.2轴心受拉和受压强度计算规范对比

中美规范中,对受拉构件进行设计时均分析了净截面断裂以及毛截面屈服这2种不同的极限状态。同时,也牵扯到了净截面效率。不过,美国规范有关净截面或是净截面效率所作的规定则相对要详细的多。美国AISC360-05规范,设计了栓销连接或是眼杆构件,同时也对块状撕裂作出明确的规定。但在国内,并没有相应的规定。

3.3实腹式轴心受压构件的稳定性计算规范对比

除弯曲或是扭转屈曲之外,轴心压杆在某些情况下可能同时出现弯曲或是扭转这两种不同的失稳形式,也就是弯扭屈曲。实腹式轴心,在受压构件绕非对称轴失稳的情况下将会出现弯曲屈曲。不过,对称轴失稳的情况下则会出现弯扭失稳。弯扭失稳状态下的临界力,往往要比弯曲失稳更低。无对称轴截面的那种轴心,若是受压构件绕主轴发生失稳,则会出现弯扭屈曲。不过,该种构件没有很好的承载力,通常不考虑。根据中国钢结构规范GB50017以及美国AISC360,对受压构件给出了相似的验算方法,均将弯曲屈曲或是弯扭屈曲等几种常见的极限状态考虑其中。GB50017前版规范,未将弯扭屈曲纳入其中。相反,将它录入到c类截面中。如此,便出现了各种危险。轴心压杆对应的扭转屈曲,设计规范中并未给出具体的规定,其控制难度偏小。例如:十字形截面尽管可以扭转屈曲,不过只要保证板件的局部稳定,便很少会出现扭转屈曲。弯扭屈曲,比较常见的计算方法在于根据弹性条件对其进行转化,使其变成弯曲屈曲。根据弯曲屈曲,分析非弹性、缺陷带来的干扰。规范GB50017中的5.1.2条,关于单轴对称截面给出了具体的换算长。除上述外,等边单角或是双角钢压杆同样也对换算长细比进行了简化,规范5.1.2条中均有所涉及。换算长细比,根据构件截面进行划分,并对稳定系数作出判定,计算出构件稳定。根据截面对称轴条件或是是否柔薄截面(SlenderElements)等,可以对构件不同的极限状态作出计算,取其最小值。同时,需对单角钢或是组合构件提出恰当的计算公式,计算出标准抗压强度P(NominalCompressiveStrength。根据P≤准cPn或是pn/Ωc,依次设计出LRFD或是ASD方法。区别于中国规范中的稳定系数或是a-d类截面划分等,AISC360规范设计相当的直观。美国规范,同时也将局部屈曲所处的极限状态纳入其中,但中国规范则缺乏这块。

3.4受弯构件设计规范对比

中国规范GB50017中,认为构件受弯承载力相当于稳定或是强度明确的承载力。GB50017通过精确法来对受弯构件本身的稳定进行计算,接近于轴心受压,准b=Mα/(wxf)代表了弹性失稳的稳定系数。按照实验结果,可以对等效残余应力及其峰值进行计算,得到不同状态下的弹塑性Mcr值以及准b值。同时,构建弹性准b以及弹塑性试关系,让计算公式变得更加适用。AISC360-O5明确了构件受弯承载加寸,其抗弯强度为准bMn(准b=0.9);弯曲强度标准值M-,根据各个截面以及侧向支撑条件进行考虑,选取屈服强度、局部曲直强度以及水平扭转屈曲对应的最小值。除了对整体稳定进行验算之外,我们还应当对非厚实截面以及柔薄截面翼缘或是局部屈曲进行验算。GB50017双向受弯构件以及ASNSI/AISC360-OS,均被纳入压弯或是拉弯构件来完成验算,单独对双向受弯构件进行验算是不存在的。梁强度,我们考虑了截面塑性发展系数,却没有考虑塑性截面模量。这么做,是为防止梁在各个纯弯曲段发生大量的变形。不过,梁整体稳定并无塑性发展系数,长细比偏小的范围相对偏低。

3.5实腹式压弯构件设计规范对比

GB50017规范,针对弯矩在拉弯或是压弯构件对应的强度提出了不同的计算式。对称轴平面上,实腹式压弯构件各自的平面内以及平面外稳定性相应的计算式;弯矩作用下,双轴对称实腹式工字形(H形)以及箱形(闭口)截面各自稳定性所得到的计算式。2个双向压弯公式,均能够看作是My让构件绕x轴弯扭+MX绕x轴产生的弯曲作用;MX,让构件绕Y轴弯扭+肠绕Y轴产生的弯曲作用。GB50017利用截面塑性发展系数YX脸,呈现出了各个截面在强度上的不同。塑性发展系数数值,很多情况下和截面形式以及塑性发展深度或是应力状态之间有很大的相关。AISC360-OS规范中,按照截面不同的形式选择了多元化的计算式。AISC360-OS除了计算出了双轴对称构件自身在单向或是双向弯压作用外,同时也对非对称截面产生的弯压进行计算,对扭矩或是弯扭剪组合作用做了计算。中国规范GB50017在其中的第5.2节,并未作出任何的说明。美国规范AISC360中说道:在单向弯压作用下,若绕弱轴发生弯曲,则公式内部的弯矩比部分均可不考虑。而中国规范GB50017,却并未对此给出相应的计算说明。单向压弯构件,基本上都是绕强轴弯曲。不过,绕弱轴弯曲同样也有这种可能。从前,有人觉得绕弱轴受弯便可看作是弯曲屈曲。部分规范中,对压弯构件强度进行了设计。针对板件宽厚比,中国规范也没有给出明确的构件要求,而是选择安全性较大的线性相关公式。而美国规范,引入了轴向力、弯矩各自的作用,这和现实情况更匹配。

4结语

通过上文的介绍,对国内外钢结构两种不同的设计规范有更多的了解。考虑到能力和工作条件的约束,本文对两种设计规范所做的对比并不是非常深刻。论述时,难免可能出现不成熟的观点。要缓解上述,应当结合不同行业的人员给出的看法和建议。同时,从业者们应当根据个人实践,对钢结构设计加以改善,为建筑业的发展作出更多的贡献。

参考文献

[1]杨永华.中欧钢结构设计规范格构柱承载力比较[J].钢结构,2015,08.

[2]左中杰,李雪琛,翟传明,贾磊.浅谈钢结构加劲肋设计国内外规范对比[J].建筑结构,2016,S1.

作者:李志慧 单位:天津大成国际工程有限公司

国内外钢结构设计规范的比较探究责任编辑:张雨    阅读:人次