《鋼結(jié)構設計標準》新舊規(guī)范對比及其在本科教學中的應用

嚴仁章 劉婷 王帥 涂義亮

摘 要：針對新版GB50017-2017《鋼結(jié)構設計標準》修訂的主要技術要點進行探討，通過與舊版GB50017—2003《鋼結(jié)構設計規(guī)范》的對比分析，詳細闡述其修訂或刪減的主要依據(jù)。并結(jié)合當前本科教學實際，對新版標準內(nèi)容的修訂作了較為全面的總結(jié)，進而提出了鋼結(jié)構設計原理課程在本科教學方法上的新要求，讓學生在有限的學時內(nèi)掌握鋼結(jié)構設計的基本理論，同時也為工程技術人員更快、更好地了解和掌握新版標準內(nèi)容提供了一定的參考。

關鍵詞：鋼結(jié)構設計原理 教學方法 設計規(guī)范 修訂內(nèi)容 技術要點

一、《鋼結(jié)構設計規(guī)范》發(fā)展歷史

我國鋼結(jié)構工程的發(fā)展是我國鋼結(jié)構設計規(guī)范進展的動力。我國建筑鋼結(jié)構的發(fā)展大致可分為三個階段：20世紀50年代為第一階段，新中國剛成立，百廢待興，建造鋼結(jié)構建筑時多采用蘇聯(lián)的鋼結(jié)構設計規(guī)范;20世紀60年代到70年代為第二階段，74規(guī)范是我國第一本正規(guī)的鋼結(jié)構設計規(guī)范，規(guī)范中部分內(nèi)容沿用蘇聯(lián)的規(guī)范內(nèi)容，但軸壓構件、壓彎構件的穩(wěn)定系數(shù)都不同于蘇聯(lián)規(guī)范，體現(xiàn)了我國自己的研究成果^[1];20世紀80年代到21世紀初為第三階段，我國專家學者對74規(guī)范作了較全面的修訂，編寫了88規(guī)范，這一版本的規(guī)范采用以概率理論為基礎的用分項系數(shù)表達的極限狀態(tài)設計方法，在疲勞計算中以應力幅準則代替了以前的應力比準則，增加了塑性計算、鋼管結(jié)構和鋼與混凝土組合梁三章內(nèi)容;此后的03規(guī)范引進了二階分析、屈曲后強度等先進技術，進一步適應鋼結(jié)構的應用和擴展^[2]。

2003版《鋼結(jié)構設計規(guī)范》自頒布以來實施至今已經(jīng)有15年，在這期間我國鋼結(jié)構發(fā)展迅速，建造了國家體育場、水立方、央視大樓等標志性鋼結(jié)構建筑，出現(xiàn)了新的結(jié)構體系，采用了新材料，應用了新技術，形成了新的設計理念、分析方法和構造處理方法，也獲得了許多研究成果。因此，我國自2018年7月1日起，開始正式頒布實施新版GB50017-2017《鋼結(jié)構設計標準》，新標準是根據(jù)多年工程經(jīng)驗和研究成果，同時考慮與國際其他發(fā)達國家鋼結(jié)構設計規(guī)范相接軌進行編制的。

另一方面，針對鋼結(jié)構課程，在以往教學中往往只重視鋼結(jié)構建造過程中的基礎理論知識，而忽略實際現(xiàn)場操作，與鋼結(jié)構實踐工作存在一定的脫節(jié)。在教學改革、課時減少但教學任務不減的大背景下，高等學校土建類專業(yè)學生如何結(jié)合新標準進行快速知識更新、高校教師如何及時改進鋼結(jié)構設計相關課程的教學方法是我們當前鋼結(jié)構課程教學過程中遇到的一個挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合新標準的修訂情況，通過新舊規(guī)范的對比，討論新版標準在本科鋼結(jié)構課程中的具體應用。

二、新版標準的相關修訂

17鋼標的修訂，除了對03規(guī)范的條文進行必要的修改、增補外，首先在名稱上做出了改變，03版為規(guī)范，17版為標準。17鋼標主要完成了兩項工作：一是形成設計規(guī)范;二是加入結(jié)構體系和抗震設計內(nèi)容，引入鋼結(jié)構結(jié)構穩(wěn)定設計的直接設計法，與國際接軌^[3]。

1.術語、符號、材料

（1）術語的增刪及修改

新標準第2.1.1條至2.1.41條根據(jù)現(xiàn)行國家標準《工程結(jié)構設計通用符號標準》GB/T50132、《工程結(jié)構設計基本術語標準》GB/T50083并結(jié)合17鋼標的具體情況對原規(guī)范中術語進行修訂，讓術語更多地回歸鋼結(jié)構本身，具體修改為：

①刪除了原規(guī)范中非鋼結(jié)構專用術語及不推薦使用的結(jié)構術語，具體有：強度、承載能力、強度標準值、強度設計值，橡膠支座、弱支撐框架;

②增加了部分常用的鋼結(jié)構術語及與抗震相關的術語，具體有：直接分析設計法、框架-支撐結(jié)構、鋼板剪力墻、支撐系統(tǒng)、消能梁段、中心支撐框架、偏心支撐框架、屈曲約束支撐、彎矩調(diào)幅設計、畸變屈曲、塑性耗能區(qū)、彈性區(qū);

③修改了部分術語：組合構件修改為焊接截面;通用高厚比修改為正則化寬厚比，對于構件定義為正則化長細比。

（2）符號的增加

新標準第2.2.4條新增鋼號修正系數(shù)e_k，其值為235與鋼材牌號中屈服點數(shù)值的比值的平方根。

（3）材料中新增鋼材種類

新規(guī)范第4.1.1條中新增Q460和Q345GJ鋼，主要原因是我國鋼結(jié)構較以前有了很大發(fā)展，鋼結(jié)構用鋼材應為按國家現(xiàn)行標準所規(guī)定的性能、技術與質(zhì)量要求生產(chǎn)的鋼材。

2.新標準新增結(jié)構體系及截面板件寬厚比等級

新標準中第3.2條新增結(jié)構體系內(nèi)容，具體為鋼結(jié)構體系的選用原則、鋼結(jié)構布置的規(guī)定以及對鋼結(jié)構施工過程的相關要求。

為了符合歐洲標準和美國標準，滿足性能設計要求，以及考慮到截面等級與構件承載力和抗震設計密切相關，新標準第3.5節(jié)新增了截面板件寬厚比等級，分為五個等級，這是中國規(guī)范第一次系統(tǒng)地梳理板件寬厚比，國際上根據(jù)截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動變形能力的不同將鋼構件截面分為四類，考慮到我國在受彎構件設計中采用截面塑性發(fā)展系數(shù)g_x，故將截面等級分為五個等級。

3.新標準關于結(jié)構內(nèi)力分析引入“直接分析法”

新標準第5.5節(jié)新增直接分析設計法，使用直接分析法可建立帶有初始缺陷的結(jié)構和構件單元模型，也可由等效荷載代替，進而考慮由于結(jié)構幾何的變化、材料的屈服等對結(jié)構剛度的影響，可以準確預測結(jié)構行為。目前直接設計法已納入歐美、中國香港規(guī)范，并有取代前者成為鋼結(jié)構穩(wěn)定計算方法的趨勢^[3]。

4.新標準對柱穩(wěn)定系數(shù)的調(diào)整

新標準第8.3.1條增加了無支撐框架和有支撐框架的計算長度系數(shù)的簡化公式;因強支撐框架的判別式過于理論化，故改進了強弱支撐框架的分界原則和強支撐框架的柱穩(wěn)定系數(shù)計算公式;因?qū)嶋H應用情況中很少設計成弱支撐框架，故取消了弱支撐框架柱穩(wěn)定系數(shù)的計算公式。

5.新標準新增加勁鋼板剪力墻和塑性及彎矩調(diào)幅設計

新標準新增第九章加勁鋼板剪力墻，但由于其施工安裝要求較高，目前并未得到大量應用。

新標準新增第十章塑性及彎矩調(diào)幅設計，塑性設計屬于結(jié)構極限承載能力問題，具有理論依據(jù)，但是作為設計方法缺少可靠度方面的驗證。新標準采用彎矩調(diào)幅設計方法，具有塑形設計含義，且從概念上易為設計者所接受。對超靜定梁可以進行調(diào)幅，包括框架梁和連續(xù)梁;對于地震工況，只允許對重力荷載進行調(diào)幅。

6.新標準對柱腳、相貫節(jié)點進行了系統(tǒng)整理、研究

新標準第12.7節(jié)中對柱腳進行了系統(tǒng)地梳理，分為外露式、外包式、埋入式和插入式柱腳，便于設計人員選用，也為以后對節(jié)點的全面、系統(tǒng)、深入的研究打基礎。

新標準第13.3節(jié)中對圓鋼管相貫節(jié)點進行了全面研究，第13.4節(jié)中對矩形鋼管相貫節(jié)點進行了全面研究。在全面進行相貫節(jié)點理論分析和試驗研究的基礎上，新標準提出了一整套非加勁的節(jié)點承載力計算式。承載力公式綜合考慮了節(jié)點屈曲、屈服、支桿強度等因素，是以試驗為依據(jù)的，為管桁架強節(jié)點弱桿件的設計提供了保證。

7.新標準對組合梁的計算要求和設計要求

新標準第14.1.3條規(guī)定組合梁強度計算按塑性理論，撓度和連續(xù)梁端部裂縫計算按彈性理論，主要原因是前者考慮混凝土開裂的剛度折減，后者考慮彎矩調(diào)幅作用。

新標準第14.2.1條明確了完全組合梁和部分組合梁的正彎矩區(qū)和負彎矩區(qū)的承載力計算式，第14.6節(jié)給出了按完全抗剪連接得到的混凝土梁縱向傳遞栓釘抗剪力的計算式。

8.新標準新增驗算疲勞強度方法和抗脆斷設計的補充規(guī)定

新標準第16.2.1條參考歐洲鋼結(jié)構設計規(guī)范EC3：Design of steel structures，增加了少量針對構造細節(jié)受剪應力幅的疲勞強度計算;同時針對正應力幅的疲勞問題，引入板厚修正系數(shù)g_t來考慮壁厚效應對橫向受力焊縫疲勞強度的影響。在確定疲勞截止限時，新標準采用S-N曲線以應力幅考慮疲勞問題，分兩個步驟判斷構件的疲勞，第一步進行初步判斷，以1億次的疲勞截止限值進行驗算;如果不滿足，對常幅疲勞，按應力循環(huán)次數(shù)分段驗算，對變幅疲勞，按折算幅進行200萬次容許應力幅驗算。

近幾年我國高寒地區(qū)常發(fā)因低溫導致鋼材脆斷的事故，故新標準第16.4節(jié)新增了防脆斷設計的相關內(nèi)容，新標準要求低溫情況下（一般為-20℃以下）應進行防脆斷設計，并從構造上給出了具體要求。

9.新標準新增鋼結(jié)構抗震性能化設計和鋼結(jié)構防護兩大章節(jié)

為了與實際工程接軌和與國際接軌，新標準新增鋼結(jié)構抗震性能化設計和鋼結(jié)構防護兩大章節(jié)。

三、新版標準在鋼結(jié)構設計課程教學過程中的新要求

新版鋼結(jié)構設計標準于2018年7月1號頒布實施，目前亟待解決的問題是如何將教學內(nèi)容和新標準結(jié)合起來，筆者認為在教學的過程中可從以下幾個方面入手。

1.將新標準與教材相結(jié)合，引導學生熟悉課程對應的標準和規(guī)范^[4]。在傳統(tǒng)的課堂教學中，大多重教材輕規(guī)范標準，教材內(nèi)容詳細但冗雜，只學習教材會導致學生難以抓住課程重點，對鋼結(jié)構設計課程產(chǎn)生抵觸情緒。而在課堂中適當?shù)匾霕藴屎鸵?guī)范，可以讓學生在課堂上直接掌握鋼結(jié)構最新的設計要求，消除學生對規(guī)范標準的陌生感和恐懼感。

2.精簡教學內(nèi)容，密切結(jié)合工程實例。由于鋼結(jié)構課程課時較少、教學內(nèi)容多、上課進度快，學生極易對課程失去興趣，因此需要精簡教學內(nèi)容，突出課程中的重難點，結(jié)合實際工程例子講解課程中的知識點，既可以增強學生對鋼結(jié)構課程的興趣，拓寬學生的視野，又能培養(yǎng)學生的工程意識，為以后走向工作崗位打下良好的基礎。

四、新版標準在本科教學中的具體應用

根據(jù)本科鋼結(jié)構教學培養(yǎng)方案，鋼結(jié)構設計原理這門課程主要講授鋼結(jié)構基本構件的受力性能及設計方法，主要講解鋼結(jié)構的材料和計算方法、鋼結(jié)構的連接、受彎構件及軸心受力構件等方面的內(nèi)容，其中鋼結(jié)構連接中的角焊縫、對接焊縫和螺栓連接的構造及計算、鋼梁和軸心受力構件的強度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定等知識點是課程中的重難點。在本次新標準的修訂中，上述重難點都有所涉及，故需在實際本科教學中調(diào)整上課內(nèi)容與教學重點。

1.鋼結(jié)構術語、符號、材料

在教學階段，首先要明確鋼結(jié)構課程中的術語與符號，新標準刪除的非鋼結(jié)構專用術語及不推薦使用的結(jié)構術語在課堂教學時不應再提及，且應結(jié)合混凝土相關標準規(guī)范對學生進行對比辨析，分析其不再使用的原因，強化學生記憶，不應提及的鋼結(jié)構術語包括強度、承載能力、強度標準值、強度設計值，橡膠支座、弱支撐框架;對增加的部分常用的鋼結(jié)構術語及與抗震相關的術語應該進行著重介紹，解釋其新增原因，新增術語包括直接分析設計法、框架-支撐結(jié)構、鋼板剪力墻、支撐系統(tǒng)、消能梁段、中心支撐框架、偏心支撐框架、屈曲約束支撐、彎矩調(diào)幅設計、畸變屈曲、塑性耗能區(qū)、彈性區(qū);對名稱發(fā)生變化的術語應從概念出發(fā)解釋新名稱背后的含義，其包括組合構件修改為焊接截面，通用高厚比修改為正則化寬厚比，對于構件定義為正則化長細比。

在課堂教學中，應著重提醒學生注意鋼號修正系數(shù)e_k，此符號為新增符號，其值為235與鋼材牌號中屈服點數(shù)值的比值的平方根。由于這一符號的引入，許多公式和表格的表達都發(fā)生變化。此外，也應重視在新標準中首次引入的Q460和Q345GJ鋼材，這兩種鋼材的引入不僅擴充了本科鋼結(jié)構課程中涉及的鋼材料，而且它們的引入代表了我國鋼結(jié)構產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及技術的提高。

2.構件的受彎、軸心受力和壓彎拉彎

17鋼規(guī)第一次系統(tǒng)地梳理了板件寬厚比，新鋼規(guī)將截面根據(jù)其板件寬厚比分為5個等級——S1、S2、S3、S4、S5級截面。板件寬厚比大小直接決定了鋼構件的承載力和受彎及壓彎構件的塑性轉(zhuǎn)動變形能力，是鋼結(jié)構設計的基礎，是學生學習鋼結(jié)構設計的基礎，應著重講解。

17版鋼標未對受彎、軸心受力、壓彎拉彎構件這三大傳統(tǒng)章節(jié)進行大的調(diào)整，但仍有一些計算公式的調(diào)整，在教學中應加以重視。

（1）受彎構件

在17版鋼標的受彎構件局部穩(wěn)定章節(jié)，僅配置橫向加勁肋的腹板在梁受壓翼緣扭轉(zhuǎn)未受到約束時的計算公式較03版規(guī)范有所改變，由于腹板應力最大處翼緣應力也很大，且翼緣應力不對腹板應力形成約束，故原公式分母中的153改為138。

（2）軸心受力構件

在講解軸心受力構件章節(jié)時，應注意到計算實腹式構件的長細比時新增兩種情況。

①截面無對稱軸且剪心和形心不重合時，換算長細比公式為：

②當為不等邊角鋼軸心受壓構件時，換算長細比公式為：

在驗算容許長細比時，參考國外相關規(guī)范及考慮到實際應用情況，17鋼標中適當調(diào)整了受壓構件的長細比容許值。

3.鋼結(jié)構的連接

為與現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構焊接規(guī)范》GB50661的規(guī)定保持一致，17鋼標對焊腳的計算厚度的相關規(guī)定進行了修改與補充，具體為：

③當或時，斜角角焊縫計算厚度應按現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構焊接規(guī)范》GB50661的有關規(guī)定計算取值。

新標準第11.3.1條中規(guī)定，受力和構造焊縫可采用對接焊縫、角接焊縫、對接角接組合焊縫、塞焊焊縫、槽焊焊縫，重要連接或有等強要求的對接焊縫應為熔透焊縫，較厚板件或無需焊透時可采用部分熔透焊縫。以前教學中未提及圓形塞焊焊縫、圓孔或槽孔內(nèi)角焊縫，考慮實際工程中已有較多應用，因此將其列入標準，且只能用于抗剪和防止板件屈曲的約束連接。在實際教學中可根據(jù)工程最新實際對此知識點進行講解。

新標準第11.3.3條為了與現(xiàn)行國家標準《鋼結(jié)構焊接規(guī)范》GB50661的規(guī)定保持一致，刪除了原規(guī)范直接承受動力荷載且需要進行疲勞計算的結(jié)構斜角坡度不大于1：4這一規(guī)定。

新標準第11.4.2條參考了行業(yè)標準《鋼結(jié)構高強度螺栓連接技術規(guī)程》JGJ82-2011第4.1.1條，當高強度螺栓摩擦型連接采用大圓孔或槽孔時應對受剪承載力進行折減，乘以孔形折減系數(shù)。在受剪連接中，每個高強度螺栓的承載力設計值按下式計算：

其中為孔型系數(shù)，標準孔取1.0;大圓孔取0.85;內(nèi)力與槽孔長向垂直時取0.7;內(nèi)力與槽孔長向平行時取0.6。17鋼標中表11.4.2—1鋼材摩擦面的抗滑移系數(shù)根據(jù)工程實踐及相關研究得出，較之前版本有所變化，在教學中應注意。

對于螺栓孔的孔徑和孔型的規(guī)定，新標準第11.5.1條為了與現(xiàn)行行業(yè)標準《鋼結(jié)構高強度螺栓連接技術規(guī)程》JGJ82的規(guī)定保持一致，對普通螺栓的孔徑做出補充規(guī)定，并提出高強度螺栓摩擦型連接可采用大圓孔和槽孔。在此條規(guī)定中應注意到B級普通螺栓的孔徑比螺栓公稱直徑大0.2mm～0.5mm，C級普通螺栓的孔徑較螺栓公稱直徑大1.0mm～1.5mm，數(shù)值較舊規(guī)范發(fā)生了變化。

結(jié)語

本文以新版GB50017-2017《鋼結(jié)構設計標準》修訂為背景，通過與舊版GB50017-2003《鋼結(jié)構設計規(guī)范》的對比分析，分析新舊規(guī)范之間的變化，詳細闡述變化產(chǎn)生的主要依據(jù)，同時結(jié)合當前本科教學實際，不斷嘗試和總結(jié)新的教學理念和教學方法，提倡在教學中教材與規(guī)范并重，課堂講解工程實例，充分發(fā)揮學生主體性，引導其思考學習，促進鋼結(jié)構課程的教學改革。

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