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石上清泉的博客
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2019-01-31 10:48:34 | 分类:默认分类| 标签:


 “钢标”在第3.5节,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,下面就来说说截面等级 

 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:

    1 S1级:可达全截面塑性,保证塑性铰具有塑性设计要求的转动能力,且在转动过程中承载力不降低,称为一级塑性截面,也可称为塑性转动截面;此时图1所示的曲线1可以表示其弯矩-曲率关系,p2一般要求达到塑性弯矩Mp除以弹性初始刚度得到的曲率p的8倍~15倍;

    2 S2级截面:可达全截面塑性,但由于局部屈曲,塑性铰转动能力有限,称为二级塑性截面;此时的弯矩-曲率关系见图1所示的曲线2,p1大约是p的2倍~3倍;

    3 S3级截面:翼缘全部屈服,腹板可发展不超过1/4截面高度的塑性,称为弹塑性截面;作为梁时,其弯矩-曲率关系如图1所示的曲线3;

    4 S4级截面:边缘纤维可达屈服强度,但由于局部屈曲而不能发展塑性,称为弹性截面;作为梁时,其弯矩-曲率关系如图1所示的曲线4;

5 S5级截面:在边缘纤维达屈服应力前,腹板可能发生局部屈曲,称为薄壁截面;作为梁时,其弯矩-曲率关系为图1所示的曲线5。

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,三边简支一边自由的板件的屈曲系数K为0.43,按式(1)计算,临界应力达到屈服应力fy=235N/mm2时板件宽厚比为18.6。

式中:K——屈曲系数;

          E——钢材弹性模量;

          fy——钢材屈服强度;

          v——钢材的泊松比。

五级分类的界限宽厚比分别是(b1/t)y的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍取整数。

各种截面屈曲宽厚比和标准取值比较见表2。

需要说明的是,0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍这些系数是带有经验性质的,是考虑了残余应力和几何缺陷等的影响。带有自由边的板件,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,所以即使S5级可采用有效截面法计算承载力,本次修订时仍然对板件宽厚比给予限制。

屈服宽厚比(以往习惯叫高厚比)、0.5倍~0.8倍的屈服宽厚比,以及四个分级界限宽厚比的对比见图2,

考虑到不同等级的宽厚比的用途不同,没有严格地按照屈服高厚比的倍数,限值大的放宽了,限值小的取的严格了。如厂房跨度大,截面高,截面希望高一些,腹板较薄,得到翼缘的约束大,宽厚比适当放大,而截面宽厚比等级为S1级或S2级的,往往是抗震设计的民用建筑,在作为框架梁设计为塑性耗能区时(α0=2),要求在设防烈度的地震作用下形成塑性铰,所以宽厚比反而比0.5、0.6的倍数更加严格。

 

 

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》(GB 50017-2003)(“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。

2 《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010)(“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:

8.3.2 框架梁、柱板件宽厚比,应符合表8.3.2的规定:

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。

“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:

9.2.14 厂房框架柱、梁的板件宽厚比,应符合下列要求:

    1 重屋盖厂房,板件宽厚比限值可按本规范第8.3.2条的规定采用,7、8、9度的抗震等级可分别按四、三、二级采用。

    2 轻屋盖厂房,塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外的板件宽厚比限值,可采用现行《钢结构设计规范》GB 50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值。

注:腹板的宽厚比,可通过设置纵向加劲肋减小。

并在条文说明中给出了三类截面等级A、B、C:

当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力——2倍多遇地震作用下的要求(γGSGE+γEh2SE≤R/γRE)时,可采用现行《钢结构设计规范》GB 50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值,即C类;当强度和稳定的承载力均满足中等承载力——1.5倍多遇地震作用下的要求(γGSGE+γEh1.5SE≤R/γRE)时,可按表6中B类采用;其他情况,则按表6中A类采用。

  A、B、C三类宽厚比的数值,系参照欧、日、美等国家的抗震规范选定。大体上,A类可达全截面塑性且塑性铰在转动过程中承载力不降低;B类可达全截面塑性,在应力强化开始前足以抵抗局部屈曲发生,但由于局部屈曲使塑性铰的转动能力有限。C类是指现行《钢结构设计规范》GB 50017按弹性准则设计时腹板不发生局部屈曲的情况,如双轴对称H形截面翼缘需满足,受弯构件腹板需满足,压弯构件腹板应符合《钢结构设计规范》GB 50017-2003式(5.4.2)的要求。

    

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。

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钢结构设计标准

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