中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對比及工程應(yīng)用分析

陳永強(qiáng)

（藍(lán)星工程有限公司，北京100143）

1 引言

我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計起步相對較晚，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)。

2 中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對比及工程應(yīng)用分析

2.1 受壓件寬厚比

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，取30；當(dāng)λ＞100時，取100；h0、tw分別為腹板計算高度和厚度，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，簡要計算時可取h0=hw-hf（hf為角焊縫的焊腳尺寸），但不能小于hw-20mm[1]。

2.2 軸心受拉和受壓強(qiáng)度計算

據(jù)我國GB 50017—2017，軸心受拉和受壓強(qiáng)度計算方法為：

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）計算：

式中，δ 為截面強(qiáng)度；N為所計算截面拉力設(shè)計值；An為凈截面積；f為鋼材抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度設(shè)計值；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。依據(jù)全截面受拉屈服和凈截面受拉斷裂時的兩種極限強(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為拉緊時安全因素；φ 為阻力因素）。

通過中美兩國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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，美標(biāo)對凈截面設(shè)計更加詳細(xì)（尤其是對效率問題進(jìn)行了設(shè)計），我國相關(guān)規(guī)范則沒有對此進(jìn)行設(shè)計。

2.3 受彎構(gòu)件設(shè)計

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，不發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)屈曲；Lb＞Lr時，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)計規(guī)范比較可以發(fā)現(xiàn)，我國受彎構(gòu)件承載力計算是利用精確計算法進(jìn)行整體穩(wěn)定性設(shè)計，公式適用性更強(qiáng)；而美標(biāo)抗彎強(qiáng)度設(shè)計值為ψbMn（ψb為0.9 時），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 個實(shí)例是不可能全面對兩國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計體系進(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。

3 中美鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在工程應(yīng)用中的分析

應(yīng)用相同鋼材料——國標(biāo)Q345，采取表，中規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計載荷組合，進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用設(shè)計。

表1 中美規(guī)范強(qiáng)度設(shè)計荷載組合

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

4 結(jié)語

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)計工程應(yīng)用設(shè)計，對比發(fā)現(xiàn)我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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。