新鋼標(biāo)已出！請看這篇詳細(xì)解說！

“鋼標(biāo)”在第3.5節(jié)，全新引入了截面板件寬厚比等級(截面等級)的概念。關(guān)于截面等級的涵義、如何理解以及如何應(yīng)用，存在不少的疑問。

一、截面等級究竟是個啥意思?

首先從表面上來看，鋼構(gòu)件由板件構(gòu)成，而截面等級說的就是截面板件寬厚比等級。

截面板件寬厚比，按“鋼標(biāo)”的條文說明——“截面板件寬厚比指截面板件平直段的寬度和厚度之比，受彎或壓彎構(gòu)件腹板平直段的高度與腹板厚度之比也可稱為板件高厚比。”需要注意，以往規(guī)范中的“寬厚比”和“高厚比”兩個名詞，現(xiàn)在實(shí)際上已經(jīng)統(tǒng)稱為“寬厚比”了。

截面板件寬厚比，是截面厚實(shí)程度的一個度量。從本質(zhì)上來說，它直接決定了鋼構(gòu)件的承載力、受彎及壓彎構(gòu)件的塑性轉(zhuǎn)動變形能力(延性耗能能力)。換句話說，截面等級就是截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動能力的表征。因此，從承載力角度來說，截面等級是板件易發(fā)生屈曲程度和截面塑性發(fā)展程度的度量;從塑性設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)角度而言，是截面塑性轉(zhuǎn)動和延性耗能能力的等級。

所以“鋼標(biāo)”按照根據(jù)截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動能力，參考國際標(biāo)準(zhǔn)，將截面分為五個等級。實(shí)際上這比國際上常規(guī)分為四個等級的做法多了一個等級，是因?yàn)槔系?ldquo;鋼規(guī)”中受彎構(gòu)件一直以來都考慮了塑性發(fā)展系數(shù)(即可部分發(fā)展塑性的截面)，因?yàn)檫@個歷史原因，截面增加了一個等級S3。

各級截面對應(yīng)的性能，實(shí)際上“鋼標(biāo)”按照截面受彎的力學(xué)性能已經(jīng)給出了很明確的描述：

其中尤其需要注意的是，S4級截面，它的界限，是邊緣纖維剛好達(dá)到屈服的狀態(tài)。S1~S3級截面，能發(fā)展截面塑性，而S5級截面，在邊緣屈服未達(dá)到時，板件就已發(fā)生局部屈曲，只能考慮有效截面進(jìn)行計(jì)算。

二、“鋼標(biāo)”中的截面等級咋確定的?

對應(yīng)歐洲規(guī)范EC3的S1~S4截面，“鋼標(biāo)”將壓彎和受彎構(gòu)件的截面分成S1~S5五個截面等級，其中S1、S2為塑性截面，S4為彈性截面，S3為中國規(guī)范特有的考慮一定塑性發(fā)展的彈塑性截面，S5為薄柔截面。

“鋼標(biāo)”的截面等級確定，主要依據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，同時參考了國外規(guī)范以及一些經(jīng)驗(yàn)值。

按照S4級截面描述的邊緣屈服同時板件剛好發(fā)生局部屈曲這個臨界狀態(tài)，可按彈性穩(wěn)定的公式進(jìn)行板件寬厚比限值(屈服寬厚比)的推導(dǎo)。

比如，對工字形截面的翼緣，按三邊簡支一邊自由的板件計(jì)算，臨界應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力235MPa時板件寬厚比為18.6。按屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍適當(dāng)取整，作為五個截面分級的寬厚比限值，并給了一個表格來對比說明。

需要說明的是，0.5、0.6、0.7、0.8和1.1這個系數(shù)實(shí)際是帶有經(jīng)驗(yàn)性的。S4級截面按0.8，是考慮了殘余應(yīng)力和幾何缺陷等影響，S5級截面本來應(yīng)該是允許板件彈性屈曲而按照有效截面計(jì)算的，但考慮到自由邊板件局部屈曲后可能帶來截面剛度中心的變化，從而改變構(gòu)件的受力，也給了一個限值。

腹板的寬厚比(以往習(xí)慣叫高厚比)，按梁腹板局部屈曲公式推導(dǎo)后的屈服寬厚比以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，與“鋼標(biāo)”實(shí)際取的限值對比如圖。

很明顯，屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，與“鋼標(biāo)”實(shí)際最終確定的限值并不完全一樣。按照條文說明的解釋，考慮到不同寬厚比等級的用途不同，并沒有嚴(yán)格地按照屈服高厚比的倍數(shù)：限值大的放寬了，限值小的取得嚴(yán)格了。

看一下下表“鋼標(biāo)”最終確定的截面等級及寬厚比限值，部分限值的確定，實(shí)際上參考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC3(見下表)，“鋼規(guī)”塑性設(shè)計(jì)的腹板高厚比限值(下文還會說)等。同時需要注意，壓彎構(gòu)件腹板的寬厚比限值參考了EC3，與截面應(yīng)力分布有關(guān)。

另外，注5給開了一個口子：S5級截面如果應(yīng)力較小時，有可作為S4級截面使用的可能。

三、以往規(guī)范中有截面等級嗎?

雖然“鋼標(biāo)”第一次明確提出截面等級的概念并且在第3章就統(tǒng)一給出限值，實(shí)際上以往的規(guī)范中，還是有一些截面等級的影子。

1 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)(“鋼規(guī)”)

“鋼規(guī)”關(guān)于截面等級(板件寬厚比)的規(guī)定分散在受彎、壓彎構(gòu)件的計(jì)算及塑性設(shè)計(jì)各章節(jié)中。

比如，對于受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算，規(guī)定如下：

不考慮截面塑性發(fā)展系數(shù)，翼緣寬厚比限值15(Q235)，考慮塑性發(fā)展系數(shù)13(Q235)，實(shí)際上就是定義了上述的兩種截面等級：S4和S3。

梁的腹板局部穩(wěn)定計(jì)算，實(shí)際上又給出了彈性截面的寬厚比限值。比如，梁的受彎通用高厚比定義為

這個150(Q235)和130(Q235)實(shí)際上就是彈性截面的腹板寬厚比限值。

塑性設(shè)計(jì)時，要求如下：

這是作為寬厚比限值的構(gòu)造要求給出的，看著眼熟不?和“鋼標(biāo)”塑性截面的某些寬厚比限值很接近不是?

2 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)(“抗規(guī)”)

“抗規(guī)”第8章，作為抗震構(gòu)造措施，對框架梁、柱的板件寬厚比有如下要求：

雖然沒有明確說截面等級，但實(shí)際上就是截面延性的要求或者等級，本質(zhì)上和“鋼標(biāo)”截面等級是一回事，表達(dá)塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動耗能能力。

但是上述的要求是根據(jù)抗震等級來提的，強(qiáng)制性要求鋼結(jié)構(gòu)框架都得延性耗能，同時要求延性構(gòu)造，控制板件寬厚比——烈度大地震作用大就嚴(yán)一點(diǎn)，和“鋼標(biāo)”的抗震設(shè)計(jì)概念不同。

“抗規(guī)”第9章，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房和多層鋼結(jié)構(gòu)廠房中的單層及不超過40m的，有如下的規(guī)定：

并在條文說明中給出了三類截面等級A、B、C：

腹板寬厚比限值的72(Q235)和130(Q235)，實(shí)際上沿用了塑性設(shè)計(jì)和梁腹板彈性屈曲的數(shù)值。

“抗規(guī)”第9.2節(jié)這些規(guī)定，實(shí)際上是“鋼標(biāo)”第3章截面等級以及第17章“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”的前身和影子。

四、設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用截面等級?

截面等級實(shí)際上和構(gòu)件承載力以及抗震設(shè)計(jì)密切相關(guān)。稍微翻一下“鋼標(biāo)”就能看到，截面等級在構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算的各章以及第17章“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”中都出現(xiàn)了，甚至可以說它串起了各章節(jié)。這也是為什么第一個專題要說它的原因。設(shè)計(jì)中怎么用，很難一兩句話說清楚，在后續(xù)的專題中，尤其是抗震設(shè)計(jì)中，會詳細(xì)說明截面等級怎么用。

新術(shù)語解釋

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(“鋼標(biāo)”)翻到第2頁就能看到術(shù)語一節(jié)。在原“鋼規(guī)”的基礎(chǔ)上，“鋼標(biāo)”增加了不少的新術(shù)語。顯然新術(shù)語和“鋼標(biāo)”的條文內(nèi)容直接相關(guān)，本專題對其中關(guān)鍵的一些術(shù)語進(jìn)行解釋和說明。

一、正則化長細(xì)比或正則化寬厚比 normalized slenderness ratio

實(shí)際上這只是名稱的修改和延伸。

原“鋼規(guī)”中有“通用高厚比 normalized web slenderness”，從英文翻譯可以看到，實(shí)際上它代表的是腹板高厚比，主要是梁腹板局部穩(wěn)定計(jì)算時用的。新術(shù)語名稱改為了穩(wěn)定理論中常用的術(shù)語“正則化”，同時由于板件穩(wěn)定不光是腹板，于是棄用“高厚比”，改用更通用的“寬厚比”一詞。

“鋼標(biāo)”對其定義沒變，正則化長細(xì)比或正則化寬厚比 normalized slenderness ratio——參數(shù)，其值等于鋼材受彎、受剪或受壓屈服強(qiáng)度除以相應(yīng)的腹板抗彎、抗剪或局部承壓彈性屈曲應(yīng)力之商的平方根。這是穩(wěn)定理論中對于正則化類參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)解釋，簡單講就是鋼材強(qiáng)度與穩(wěn)定應(yīng)力的比值，這樣把穩(wěn)定問題中不同強(qiáng)度的影響剝離，只剩下穩(wěn)定因素自身。正則化長細(xì)比/寬厚比的值越大，越容易失穩(wěn)，而理想狀態(tài)下的臨界值是1.0：如果大于1.0，表示構(gòu)件或板件的彈性屈曲在達(dá)到屈服強(qiáng)度值之前;小于1.0，則可達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，而不發(fā)生彈性屈曲，只能在彈塑性階段發(fā)生非彈性屈曲。如果用上一個專題講的截面板件寬厚比等級來說，那么，S4級截面的限值狀態(tài)，對應(yīng)的就是抗彎的正則化寬厚比為1.0。

二、直接分析設(shè)計(jì)法 direct analysis method of design

即，直接考慮對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度性能有顯著影響的初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力、材料非線性、節(jié)點(diǎn)連接剛度等因素，以整個結(jié)構(gòu)體系為對象進(jìn)行二階非線性分析的設(shè)計(jì)方法。

這是本次“鋼標(biāo)”新引進(jìn)的與國外規(guī)范接軌的計(jì)算方法。從穩(wěn)定理論來說，道理很簡單，把影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素在計(jì)算模型中考慮，直接進(jìn)行結(jié)構(gòu)的受力分析，應(yīng)該就能把握結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。經(jīng)典的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教科書中都有這個方法。

大家知道，老“鋼規(guī)”的柱子曲線也是考慮了這些缺陷以后得到的穩(wěn)定系數(shù)，然后把結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定化解為構(gòu)件層面的穩(wěn)定考慮，俗稱計(jì)算長度法。當(dāng)然，原來的計(jì)算長度法只是對某些結(jié)構(gòu)適用，或者說它有幾個適用的前提條件，這也就是為啥還要直接分析設(shè)計(jì)法的原因。

關(guān)于“鋼標(biāo)”直接分析設(shè)計(jì)法，目前從規(guī)范條文層面存在一點(diǎn)爭議，就是關(guān)于長細(xì)比的限值問題。“鋼規(guī)”、“抗規(guī)”等由于種種原因，規(guī)定了一些構(gòu)件的長細(xì)比值。而計(jì)算長細(xì)比又是基于傳統(tǒng)的計(jì)算長度法根據(jù)計(jì)算長度系數(shù)得到的。目前“鋼標(biāo)”雖然給了直接計(jì)算分析法，但計(jì)算長度限值的規(guī)定依舊存在，此時的計(jì)算長度限值如何考慮，成了問題。個人意見是，實(shí)際上長細(xì)比本身就是構(gòu)造要求，是穩(wěn)定計(jì)算不成熟條件下的一個補(bǔ)充而已。如果按直接分析設(shè)計(jì)法，那就干脆放開那些長細(xì)比構(gòu)造要求，最多，僅僅對幾何長細(xì)比(按構(gòu)件自然長度的長細(xì)比)作一些限值規(guī)定，而且可以放得很寬。

另外，設(shè)計(jì)單位目前在操作層面還存在一點(diǎn)問題，也就是，如何在計(jì)算程序中實(shí)現(xiàn)直接分析(貌似現(xiàn)在好多結(jié)構(gòu)工程師=計(jì)算軟件操作員+CAD描圖員，不能一鍵搞定的免談)。但這個似乎只是暫時的問題，不算大問題，我想，萬能的PK等等，會很快解決這個問題的吧。是不是真的算得準(zhǔn)，嘿嘿，你問我?我哪知道?!

三、關(guān)于支撐框架

無支撐框架、支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)，強(qiáng)支撐框架，支撐系統(tǒng)，這是相關(guān)的幾個術(shù)語，有必要放在一起扯扯。

前面已出的規(guī)范，包括“抗規(guī)”等等，更嚴(yán)重的是在工程技術(shù)人員的理解中，已經(jīng)把所謂的“框架”概念給模糊化了——“框架”，可以是純框架、支撐框架，更可以是框架-支撐。這種模糊化導(dǎo)致了抗規(guī)等規(guī)范條文在應(yīng)用上的模糊。比如，純框架的抗震構(gòu)造要求，和支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐是有很大區(qū)別的，因?yàn)楹哪苣Ｊ酵耆煌?。這個具體在第五個術(shù)語“塑性耗能區(qū)”中具體說。

先說一下各自的定義：

無支撐框架 unbraced frame——利用節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的抗彎能力抵抗荷載的結(jié)構(gòu)。其實(shí)就是純框架，受力特征是靠構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度來形成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，典型如門式剛架。

支撐結(jié)構(gòu) bracing structure——在梁柱構(gòu)件所在的平面內(nèi)，沿斜向設(shè)置支撐構(gòu)件，以支撐軸向剛度抵抗側(cè)向荷載的結(jié)構(gòu)。實(shí)際這就是純支撐結(jié)構(gòu)，支撐拿掉了，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系就沒了，類似于腳手架，沒東西扶著它，就倒了。

框架-支撐結(jié)構(gòu) frame- bracing structure——由框架及支撐共同組成抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)。

在我們的抗震規(guī)范中，因?yàn)橐箅p重抗側(cè)力體系，如果支撐壞了，框架部分還能承擔(dān)一些側(cè)向力。因此，上述的純支撐結(jié)構(gòu)由于缺少框架部分的抗側(cè)剛度，是被排斥使用的(實(shí)際工程中往往給禁止使用)。但工程實(shí)踐中又存在不少這樣的結(jié)構(gòu)形式，尤其是構(gòu)筑物，比如支架。當(dāng)然，國外規(guī)范中存在這類結(jié)構(gòu)，比如美國的建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范AISC 341，嚴(yán)格區(qū)分單一抗側(cè)力體系和雙重抗側(cè)力體系。而上述的支撐結(jié)構(gòu)就是其中的單一抗側(cè)力體系。我們“抗規(guī)”中的框架-支撐，是雙重抗側(cè)力體系，等于無支撐框架和支撐結(jié)構(gòu)的組合。

強(qiáng)支撐框架 frame braced with strong bracing system——在框架-支撐中，支撐結(jié)構(gòu)(支撐桁架、剪力墻、筒體等)的抗側(cè)移剛度較大，可將該框架視為無側(cè)移的框架。

強(qiáng)支撐框架，大家都知道，就是強(qiáng)的支撐框架唄。這不廢話嗎?強(qiáng)支撐框架，是跟弱支撐框架相對應(yīng)的。從本質(zhì)上說，強(qiáng)與弱，對應(yīng)的是不同的失穩(wěn)模式，而不是真的側(cè)移大小，也就是穩(wěn)定理論中講的無側(cè)移和有側(cè)移框架。順便說一句，98版“高鋼規(guī)”曾經(jīng)規(guī)定層間位移角小于1/1000就可按無側(cè)移計(jì)算，從穩(wěn)定理論來說，似乎是不大合適的。

“鋼標(biāo)”本來是有弱支撐的，征求意見稿大家都能看到?？紤]到不推薦采用弱支撐框架，最終取消了弱支撐框架柱穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算公式。另外還有個事實(shí)，一旦設(shè)置了支撐，常見的一般框架-支撐結(jié)構(gòu)，都是強(qiáng)支撐。

支撐系統(tǒng) bracing system——由支撐及傳遞其內(nèi)力的梁(包括基礎(chǔ)梁)、柱組成的抗側(cè)力系統(tǒng)。

這是一個新的概念，強(qiáng)調(diào)支撐不是倆斜桿就能成結(jié)構(gòu)體系，而是必須由一個完整的體系才能形成支撐系統(tǒng)，才能起抗側(cè)作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，必須關(guān)注整個系統(tǒng)。缺了任何一環(huán)，支撐體系就不成立。

四、畸變屈曲

畸變屈曲 distorsional buckling——截面形狀發(fā)生變化、且板件與板件的交線至少有一條會產(chǎn)生位移的屈曲形式。

看一下圖就明白了。

對于框架結(jié)構(gòu)的梁，上翼緣鋪板，正彎矩區(qū)沒有穩(wěn)定問題，但負(fù)彎矩區(qū)的下翼緣有穩(wěn)定問題，就是上圖的畸變屈曲。以往我們的規(guī)范中都沒考慮，而國外規(guī)范已有這個規(guī)定?；兦嚓P(guān)的研究內(nèi)容可以參考童根樹教授的專著《鋼結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定》。

“鋼標(biāo)”6.2.7條就是針對框架主梁負(fù)彎矩區(qū)畸變屈曲新增加的規(guī)定。將下翼緣作為壓桿，腹板作為對下翼緣提供側(cè)向彈性支撐的部件，上翼緣看成固定，給出了一個簡單的畸變屈曲的臨界應(yīng)力公式，同時給出了需要考慮畸變屈曲的情況以及不滿足時的做法。

“鋼標(biāo)”抗震設(shè)計(jì)第17章的相應(yīng)章節(jié)，也有關(guān)于框架梁梁端負(fù)彎矩區(qū)畸變屈曲的相關(guān)要求。

五、塑性耗能區(qū)、彈性區(qū)

先看看定義：

塑性耗能區(qū) plastic energy dissipative zone——在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件首先進(jìn)入塑性變形并消耗能量的區(qū)域。

彈性區(qū) elastic region——在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍處于彈性工作狀態(tài)的區(qū)域。

用大白話說，塑性耗能區(qū)就是大的地震下面進(jìn)入塑性并且耗散地震輸入能量的構(gòu)件部分。那么，彈性區(qū)就是，咋震，都不進(jìn)入塑性的構(gòu)件部分。因此，按這么說，其實(shí)抗震結(jié)構(gòu)分兩部分：塑性耗能區(qū)vs非塑性耗能區(qū)，非塑性耗能區(qū)也可以設(shè)計(jì)成彈性區(qū)，當(dāng)然也可以存在一些可能的或者說潛在的塑性區(qū)。

不同區(qū)域，抗震的做法和要求也不同?？拐鹪O(shè)計(jì)思路是進(jìn)行塑性機(jī)構(gòu)控制，可以說，整個“鋼標(biāo)”第17章的抗震，基本都是圍繞塑性耗能區(qū)寫的，從性能等級目標(biāo)、延性等級、抗震計(jì)算到抗震構(gòu)造。非塑性耗能區(qū)的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，是根據(jù)既定的結(jié)構(gòu)體系和塑性耗能區(qū)性能，再確定相應(yīng)如何進(jìn)行設(shè)計(jì)。

因此，有必要來具體說說整個鋼結(jié)構(gòu)體系中，哪兒是塑性耗能區(qū)。當(dāng)然也需要注意，塑性耗能區(qū)是和抗震設(shè)計(jì)的意圖是相關(guān)的，說白了，就是還得結(jié)合你設(shè)計(jì)時候，想讓哪兒塑性耗能。

對于純框架結(jié)構(gòu)，大家最熟悉，都知道就是啥地方能形成塑性鉸，那就是塑性耗能區(qū)，一般就是梁柱節(jié)點(diǎn)附近以及柱腳。但是對于抗震設(shè)計(jì)來說，希望保證“強(qiáng)柱弱梁”和防止形成倒塌機(jī)構(gòu)，那么一般是把除單層和頂層框架外的框架梁端設(shè)計(jì)為塑性耗能區(qū)。

支撐結(jié)構(gòu)，上面說了，就是支撐在抵抗側(cè)向力。那么，塑性耗能區(qū)其實(shí)就是那個支撐了。從抗震性能而言，希望是把成對設(shè)置的支撐設(shè)計(jì)為塑性耗能區(qū)。

框架-中心支撐結(jié)構(gòu)，按上述的雙重抗側(cè)力體系設(shè)計(jì)目標(biāo)，塑性耗能區(qū)那就是成對設(shè)置的支撐和框架的梁端。

框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)，對于支撐框架的部分，肯定是剪切屈服的耗能梁段。而框架的梁端塑性鉸區(qū)，肯定也是塑性耗能區(qū)。

其余比如設(shè)置了阻尼器的框架，那毫無疑問，首先屈服的阻尼器就是塑性耗能區(qū)。

六、焊接截面 welded section

知道這個術(shù)語在老“鋼規(guī)”叫啥嗎?——叫“組合構(gòu)件 built-up member”。

啥?一定會有好多人覺得很奇怪：“組合構(gòu)件”，不是那個啥鋼和混凝土組合的東東?不信?翻開老“鋼規(guī)”，組合構(gòu)件 built-up member——由一塊以上的鋼板(或型鋼)相互連接組成的構(gòu)件，如工字形截面或箱形截面組合梁或柱。

本來沒想把這個列出來，但是想想工作中真就有好多人問我“鋼規(guī)”的組合構(gòu)件到底咋回事，就說說吧。

這應(yīng)該是歷史上延續(xù)過來的，最早鋼結(jié)構(gòu)分型鋼和鋼板、型鋼組合焊接的構(gòu)件，而當(dāng)初鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)也少，于是命名叫“組合構(gòu)件”，一直在“鋼規(guī)”中延續(xù)。“鋼標(biāo)”修編可能發(fā)現(xiàn)容易歧義，改了。

與現(xiàn)行規(guī)范的邏輯關(guān)系及應(yīng)用

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)(簡稱“鋼標(biāo)”)頒布以后，與現(xiàn)行的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)(簡稱“門規(guī)”)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)(簡稱“抗規(guī)”)等規(guī)范內(nèi)容存在交叉和重疊。在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)時，如何選用適用的規(guī)范和相關(guān)條文，成為結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常犯難的問題。

因此，在具體談《鋼標(biāo)》條文之前，有必要先說說各規(guī)范的定位和他們之間的邏輯關(guān)系，以及各規(guī)范的適用情況。

一、《門規(guī)》是個啥?有《鋼標(biāo)》還要他做甚?

眾所周知，《門規(guī)》是針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)制定的一本專門的規(guī)范，其前身是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102，并在條文說明中明確表示“參照和吸取了多項(xiàng)國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和手冊中有關(guān)輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制作和安裝的規(guī)定。主要參考的國外手冊是美國金屬房屋制造協(xié)會MBMA《低層房屋體系手冊》等……”(下圖是MBMA手冊的2006版，有興趣可以找來翻翻)。

MBMA手冊的主要內(nèi)容大致為：荷載(重點(diǎn)是風(fēng)荷載和吊車荷載)、適用性(正常使用相關(guān)的一些設(shè)計(jì)要求和考慮)、一般的工業(yè)實(shí)踐(訂購和合同文件中關(guān)于設(shè)計(jì)、制造、交易和安裝等的指導(dǎo))、規(guī)格指導(dǎo)、美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會金屬房屋的認(rèn)證程序、建筑節(jié)能、抗火、風(fēng)雪地震和降雨資料。也就是說，MBMA手冊更像是一個指導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)品買賣的文件，而非規(guī)范。其中關(guān)于設(shè)計(jì)施工的內(nèi)容很籠統(tǒng)，風(fēng)荷載的內(nèi)容也是原封不動從美國ASCE 7規(guī)范(相當(dāng)于《建筑設(shè)計(jì)荷載規(guī)范》)引來的。

對照看我們的《門規(guī)》，卻是一個針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的完整的技術(shù)規(guī)范，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)布置、荷載取值和組合、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計(jì)算、節(jié)點(diǎn)、圍護(hù)板設(shè)計(jì)等)、防護(hù)、制作、運(yùn)輸、安裝和驗(yàn)收等內(nèi)容。這些內(nèi)容，在原來的規(guī)范中并不覆蓋。換句話說，按原來的規(guī)范，門式剛架壓根沒法設(shè)計(jì)，或者說即便設(shè)計(jì)出來，也不再是國外引進(jìn)的那個門式剛架。

因此，這么對比一下就很清楚了——《門規(guī)》是啥?《門規(guī)》為了門式剛架引進(jìn)國內(nèi)應(yīng)用，專門編制的一本規(guī)范，是在原先國內(nèi)規(guī)范不覆蓋、不支持這種結(jié)構(gòu)形式的情況下，從夾縫中生出來的一個小兒子。

《門規(guī)》和《鋼標(biāo)》(之前是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50017，簡稱《鋼規(guī)》)在國標(biāo)體系中并列，某種意義上說，是規(guī)范體系的混亂。按照邏輯關(guān)系，《門規(guī)》中跟鋼結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)在《鋼標(biāo)》(或《鋼規(guī)》)，荷載的規(guī)定應(yīng)該在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，而抗震設(shè)計(jì)的內(nèi)容則應(yīng)該在《抗規(guī)》中表達(dá)。如果需要有專門針對門式剛架的詳細(xì)的指導(dǎo)性文件，可以作為協(xié)會規(guī)程或者手冊處理，為一種結(jié)構(gòu)形式編一本國家規(guī)范，只會讓規(guī)范體系愈發(fā)龐大和累贅。如果說以前的《鋼規(guī)》不覆蓋門式剛架鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的《鋼標(biāo)》實(shí)際上已經(jīng)基本覆蓋了。

筆者在本公眾號曾經(jīng)寫過一些關(guān)于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的文章，如《所謂的輕鋼和普鋼，本質(zhì)區(qū)別到底是啥?》(2017.2.26)、《談?wù)勑麻T規(guī)風(fēng)荷載的前世今生》(2017.3.11)，實(shí)際上也是試圖在說明他們之間的內(nèi)在關(guān)系。

二、《抗規(guī)》管抗震設(shè)計(jì)，《鋼標(biāo)》也抗震設(shè)計(jì)?是個什么鬼?

從規(guī)范的定位來說，“抗規(guī)”是母規(guī)，常見結(jié)構(gòu)的抗震一般按照《抗規(guī)》或《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50191-2012)(簡稱“構(gòu)抗規(guī)”，工業(yè)等構(gòu)筑物用)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，涉及抗震的相關(guān)規(guī)范還有《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99-2015)(簡稱“高鋼規(guī)”)，但其抗震的規(guī)定基本與“抗規(guī)”第8章“多高層鋼結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容一脈相承，只是對高層提了一點(diǎn)略高的要求，比較好理解，不存在強(qiáng)烈的沖突感。

但“鋼標(biāo)”的第17章，命名為“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”，內(nèi)容與目前《抗規(guī)》規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)似乎大相徑庭，乍一看還很費(fèi)解(當(dāng)然《抗規(guī)》中也有性能化設(shè)計(jì)的原則性內(nèi)容，比較籠統(tǒng))。

先來看看《鋼標(biāo)》的解釋：

“……不同結(jié)構(gòu)體系和截面特性的鋼結(jié)構(gòu)，彼此間結(jié)構(gòu)延性差異較大，為貫徹國家提出的“鼓勵用鋼、合理用鋼”的經(jīng)濟(jì)政策，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011及《構(gòu)筑物抗震規(guī)范》GB 50191規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)原則，針對鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗震性能化設(shè)計(jì)內(nèi)容……”——首先，《鋼標(biāo)》的抗震設(shè)計(jì)方法命名為“抗震性能化設(shè)計(jì)”，并明確表示是在《抗規(guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》的抗震設(shè)計(jì)原則之下制定。那么，可以把《鋼標(biāo)》第17章的抗震設(shè)計(jì)方法看作是抗震性能化設(shè)計(jì)思路在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和細(xì)化。如果你仔細(xì)一點(diǎn)看《抗規(guī)》，可能還會發(fā)現(xiàn)，在《抗規(guī)》9.2節(jié)鋼結(jié)構(gòu)廠房的部分其實(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了類似的說法和做法，并且思路也是一脈相承。

“……結(jié)構(gòu)真正的設(shè)防目標(biāo)為設(shè)防地震，但由于結(jié)構(gòu)具有一定的延性，因此無需采用中震彈性的設(shè)計(jì)。在滿足一定強(qiáng)度要求的前提下，讓結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震強(qiáng)度最強(qiáng)的時段到來之前，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件先行屈服，削減剛度，增大結(jié)構(gòu)的周期，使結(jié)構(gòu)的周期與地震波強(qiáng)度最大時段的特征周期避開，從而使結(jié)構(gòu)對地震具有一定程度的免疫功能。這種利用某些構(gòu)件的塑性變形削減地震輸入的抗震設(shè)計(jì)方法可降低假想彈性結(jié)構(gòu)的抗震承載力要求?；谶@樣的觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)均允許結(jié)構(gòu)在地震過程中發(fā)生一定程度的塑性變形，但塑性變形必須控制在對結(jié)構(gòu)整體危害較小的部位。例如梁端形成塑性鉸是可以接受的……”——這一段描述大家應(yīng)該不陌生，抗震設(shè)計(jì)理論從來這么說的：延性和抗震性能息息相關(guān)，要抗震就得說延性。下面的圖1，是鋼結(jié)構(gòu)抗彎截面延性性能的形象表達(dá)——截面等級決定截面的抗彎延性性能，從而決定抗彎結(jié)構(gòu)塑性鉸的延性和耗能能力。《抗規(guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》中實(shí)現(xiàn)這些延性目標(biāo)，都采用的是抗震構(gòu)造措施，并且，是強(qiáng)制性的(《抗規(guī)》9.2節(jié)除外)——這就意味著，《抗規(guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》認(rèn)為結(jié)構(gòu)抗震都得用延性，設(shè)計(jì)時必須得結(jié)構(gòu)讓備著。

“另外，對于很多結(jié)構(gòu)，地震作用并不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，其構(gòu)件實(shí)際具有的抗震承載力很高，因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低，從而降低能耗，節(jié)省造價。”——這是導(dǎo)致《鋼標(biāo)》抗震設(shè)計(jì)與《抗規(guī)》慣用方法不同的關(guān)鍵所在。做過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的都知道，按照《抗規(guī)》設(shè)計(jì)一個抗震設(shè)防烈度不高的小型鋼結(jié)構(gòu)(比如小框架、小車棚)，光那些抗震構(gòu)造措施，會讓你的設(shè)計(jì)結(jié)果看上去很豪華!(給業(yè)主質(zhì)疑沒法回答的有木有?回答說“這是規(guī)范規(guī)定”給業(yè)主鄙視的有木有?)

“在能量輸入相同的條件下，結(jié)構(gòu)延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結(jié)構(gòu)延性差，則彈性承載力要求高，本規(guī)范簡稱為“高延性-低承載力”和“低延性-高承載力”兩種抗震設(shè)計(jì)思路，均可達(dá)成大致相同的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延性等級確定對應(yīng)的地震作用的設(shè)計(jì)方法，本規(guī)范稱為‘性能化設(shè)計(jì)方法’……”——這一段話，把上述幾段話的意思清晰完整地闡述清楚了。即，抗震并不是非得延性，高延性和低延性，都能實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)，結(jié)構(gòu)可以預(yù)設(shè)延性等級進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，或者說可以進(jìn)行選擇，怎么合理怎么做。從地震工程學(xué)的理論看，這就是等能量原理(見圖2示例，不同曲線和橫坐標(biāo)圍住的面積相同(表示為能量)，不同路徑可實(shí)現(xiàn)同樣的抗震目標(biāo)，但對應(yīng)不同的彈性承載力和延性)。于是乎，一個小車棚的抗震設(shè)計(jì)也就用不著惡狠狠地整上那么多抗震構(gòu)造措施了，完全可以降低抗震構(gòu)造要求而提高設(shè)計(jì)計(jì)算的地震作用(如果本來地震作用就不大，加大又何妨?)。順帶著，實(shí)際上也把門式剛架這一類結(jié)構(gòu)從沒法按照《抗規(guī)》方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的尷尬中解放出來了。談到抗震就得說延性，就得耗能，實(shí)際上是一條道走慣了而忘記了其它的路，甚至走進(jìn)了死胡同還沒醒悟——這是抗震研究、規(guī)范和設(shè)計(jì)認(rèn)識上的一大誤區(qū)。

圖2 強(qiáng)度(彈性承載力)和延性的關(guān)系

那么，反過去再看看，就很清楚了——《抗規(guī)》抗震設(shè)計(jì)的前提，是基于延性耗能的原則，認(rèn)為結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下一定進(jìn)入彈塑性，設(shè)防烈度高則延性要求高，房屋高度越高，也是如此。因此，抗震構(gòu)造要求根據(jù)建筑高度和設(shè)防烈度決定的抗震等級來確定。從常規(guī)的建筑物來說，這似乎勉強(qiáng)說得過去(相對而言，當(dāng)然不盡合理)。然而，這畢竟只是硬幣的一個面?！朵摌?biāo)》的抗震性能化設(shè)計(jì)，同時給出了硬幣的兩個面，除了“高延性”耗能的抗震設(shè)計(jì)途徑，還有“低延性”甚至接近彈性的抗震設(shè)計(jì)途徑，從而給了設(shè)計(jì)人員充分的自主選擇權(quán)。

三、做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，規(guī)范咋選擇呢?

說了這么多，既然規(guī)范現(xiàn)狀是這樣了，做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時怎么選擇，怎么執(zhí)行呢?

首先，結(jié)構(gòu)工程師們其實(shí)很清楚，如果鋼結(jié)構(gòu)是符合《門規(guī)》適用條件的，那就可以完全按照《門規(guī)》設(shè)計(jì)，一條道走到黑，荷載、構(gòu)件計(jì)算、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造、抗震，全部都覆蓋，而且最關(guān)鍵的是，大家對《門規(guī)》很熟悉，設(shè)計(jì)結(jié)果也很經(jīng)濟(jì)，屬于喜聞樂見。

其次，如果不符合《門規(guī)》適用條件的鋼結(jié)構(gòu)，那么，按照《鋼標(biāo)》的說法：“抗震設(shè)防的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011或《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50191的規(guī)定設(shè)計(jì)，也可按本規(guī)范第17章的規(guī)定進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。”因此，可按如下途徑之一進(jìn)行設(shè)計(jì)：

途徑1：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計(jì)，按《抗規(guī)》或《構(gòu)抗規(guī)》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì);

途徑2：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計(jì)，按《鋼標(biāo)》第17章進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)(尤其是一些地震作用不大，可按“低延性”思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu))。

順便說一句，符合或者是超出《門規(guī)》適用條件的門式剛架，其實(shí)都可以按照上述途徑2進(jìn)行設(shè)計(jì)，只要選擇“低延性”的抗震設(shè)計(jì)思路即可。從這個意義上講，《鋼規(guī)》和《抗規(guī)》沒覆蓋門式剛架，但《鋼標(biāo)》從邏輯上做到了各種類型鋼結(jié)構(gòu)的覆蓋。

抗震性能化設(shè)計(jì)

好了，終于可以談?wù)劇朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)(簡稱“鋼標(biāo)”)的抗震設(shè)計(jì)了，也稱之為“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”，這是鋼標(biāo)相對于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)(簡稱“鋼規(guī)”)變化最大的一部分內(nèi)容。

鋼標(biāo)的抗震性能化設(shè)計(jì)具體怎么做，包括設(shè)計(jì)軟件中如何操作，已經(jīng)有一些文章進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文并不準(zhǔn)備去重復(fù)那些內(nèi)容，而只是打算就抗震設(shè)計(jì)的原理性問題以及幾個關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行澄清，幫助你從概念層面的深入理解，以免給程序玩死(換句話說，看本文之前，應(yīng)該好好看過鋼標(biāo))。

另外還是得說明(雖然本該是結(jié)構(gòu)工程師的常識)，程序是程序，規(guī)范是規(guī)范，程序僅僅代表了編程人員對規(guī)范的理解，可能對，也可能錯。倒是，規(guī)范理解不到位，做設(shè)計(jì)容易給程序玩殘。經(jīng)常有人問我，某某軟件計(jì)算結(jié)果紅了，怎么調(diào)?我一般回答，程序的操作問題，去問軟件客服。紅了綠了的事，用規(guī)范語言來描述，我才能跟你討論(似乎開篇說了一些廢話，抱歉抱歉……)

一、抗震性能化設(shè)計(jì)vs傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，原理上的差異是啥?

在本公眾號發(fā)表的前幾篇解讀文章中已經(jīng)談到，鋼標(biāo)的抗震性能化設(shè)計(jì)描述為：

“在能量輸入相同的條件下，結(jié)構(gòu)延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結(jié)構(gòu)延性差，則彈性承載力要求高，本規(guī)范簡稱為“高延性-低承載力”和“低延性-高承載力”兩種抗震設(shè)計(jì)思路，均可達(dá)成大致相同的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延性等級確定對應(yīng)的地震作用的設(shè)計(jì)方法，本規(guī)范稱為‘性能化設(shè)計(jì)方法’……”

即，抗震并不是非得延性，高延性和低延性，都能實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)，可以進(jìn)行選擇，怎么合理怎么做。從地震工程學(xué)的理論看，實(shí)際上就是下圖表達(dá)的等能量原理，結(jié)構(gòu)可以可以按照圖中不同的路徑抗震，不同曲線和橫坐標(biāo)圍住的面積相同(即地震能量)即可。不同路徑對應(yīng)不同的彈性承載力和延性。

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)是什么思路呢?抗規(guī)抗震設(shè)計(jì)的思路是，結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下會進(jìn)入彈塑性。因此，基于基于延性耗能的原則，設(shè)防烈度高需要耗能多點(diǎn)，延性要求就高。所以抗規(guī)的抗震構(gòu)造就根據(jù)建筑高度和設(shè)防烈度決定的抗震等級來確定(等級高延性要求就高，當(dāng)然也不盡然)。

所以，鋼標(biāo)的抗震性能化設(shè)計(jì)，實(shí)際上是在常規(guī)抗震設(shè)計(jì)方法(考慮一定的延性，大致屬于中到高延性)的基礎(chǔ)上還給了另一個低延性的抗震設(shè)計(jì)途徑，從而能適用于更多的情況。

二、抗震性能化設(shè)計(jì)vs傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)流程上的區(qū)別在哪兒?

常規(guī)的抗震設(shè)計(jì)方法，按照小震地震作用計(jì)算+抗震構(gòu)造要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

抗震性能化設(shè)計(jì)則是小震設(shè)計(jì)后，再進(jìn)行中震設(shè)計(jì)。中震設(shè)計(jì)時，是在承載力和延性之間的平衡和選擇，實(shí)際上可能處于一個迭代循環(huán)過程，即假定塑性耗能區(qū)承載性能等級(與塑性耗能區(qū)的延性等級直接掛鉤，設(shè)防類別高的提高一檔)，得到地震作用效應(yīng)，再進(jìn)行構(gòu)件承載力抗震驗(yàn)算(鋼標(biāo)17.2.1~17.2.3條)，以及機(jī)構(gòu)控制驗(yàn)算(17.2.4~17.2.12條)，如有問題則進(jìn)行調(diào)整，循環(huán)計(jì)算。

塑性耗能區(qū)承載性能等級則與延性措施對應(yīng)，選擇了什么等級則要求在設(shè)計(jì)時采用對應(yīng)的抗震措施(17.3節(jié))。需要注意的是，抗震措施不再是一刀切，而是對應(yīng)不同的等級采用對應(yīng)的措施，這是與常規(guī)抗震設(shè)計(jì)方法最大的區(qū)別，也是體現(xiàn)其設(shè)計(jì)合理性的地方。

抗震性能化設(shè)計(jì)中，有幾個關(guān)鍵點(diǎn)，如塑性耗能區(qū)、性能系數(shù)，塑性耗能區(qū)在前文中解讀過，這兒說說性能系數(shù)。

性能系數(shù)是啥?性能系數(shù)是構(gòu)件的計(jì)算參數(shù)，按鋼標(biāo)(17.2.2-1)計(jì)算。注意要區(qū)分塑性耗能區(qū)構(gòu)件和非塑性耗能區(qū)構(gòu)件。

看一下17.3.2條就明白，性能系數(shù)是計(jì)算地震作用效應(yīng)時候水平地震作用效應(yīng)的系數(shù)。另外需要注意，用來計(jì)算的地震作用是設(shè)防地震下的，即“中震”，換句話說，性能系數(shù)其實(shí)就是地震作用的折減系數(shù)(參見前面的強(qiáng)度-延性示意圖)。

還有一個實(shí)際性能系數(shù)，按下式計(jì)算，這是用來檢查你設(shè)定的性能系數(shù)是否合理的。需要注意，公式(17.2.2-2)中有印刷錯誤，水平地震和豎向地震在公式中搞反了。實(shí)際性能系數(shù)的物理意義，以框架為例，是結(jié)構(gòu)的屈服承載力扣除重力荷載代表值以及豎向地震作用效應(yīng)后，與設(shè)防地震(中震)產(chǎn)生彎矩的比值，即達(dá)到中震的多少分之一時屈服，1.0表示在中震時剛好屈服。顯然，實(shí)際性能系數(shù)不能小于設(shè)定的性能系數(shù)。

那么，對于支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)際性能系數(shù)的物理意義，你看明白了嗎?

三、抗震性能化設(shè)計(jì)vs傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，能帶來什么好處?

抗震性能化設(shè)計(jì)相對于傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，帶來的最大的好處，就在于設(shè)計(jì)的靈活化，而不是固定不變的強(qiáng)制性抗震措施。相信各位在以往的設(shè)計(jì)中，因?yàn)楦鞣N抗震措施(尤其是構(gòu)造措施)的要求導(dǎo)致你自己都覺得設(shè)計(jì)很不合理的情況比比皆是。而這些，都將是抗震性能化設(shè)計(jì)的用武之地。也就是說，抗震措施的區(qū)別化對待(包括各種抗震措施免除條件)，是抗震性能化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢所在。

舉個栗子：

鋼標(biāo)的17.1.4條3款：

“3)其他構(gòu)件承載力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)進(jìn)行計(jì)入性能系數(shù)的內(nèi)力組合效應(yīng)驗(yàn)算，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級為Ⅴ級時，無須進(jìn)行機(jī)構(gòu)控制驗(yàn)算;”

條文說明解釋如下：

“當(dāng)按本規(guī)范進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，采用低延性-高承載力設(shè)計(jì)思路時，無須進(jìn)行機(jī)構(gòu)控制驗(yàn)算，本規(guī)范第17.2.4條至17.2.12條為機(jī)構(gòu)控制驗(yàn)算的具體規(guī)定，但當(dāng)性能系數(shù)小于1時，支撐系統(tǒng)構(gòu)件尚應(yīng)考慮壓桿屈曲和卸載的影響。”

好好去看看鋼標(biāo)的17.2.4~17.2.12,有哪些內(nèi)容，就明白了。強(qiáng)柱弱梁?強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件?柱腳極限承載力?這都不是事。

是不是覺得，原本要給玩死的設(shè)計(jì)，用抗震性能化設(shè)計(jì)似乎有戲了?恭喜你，你似乎找到門道了。如果這篇文章就這么一丁點(diǎn)對你有用，我都覺得值了。我就不再去多說啥寬厚比、長細(xì)比、節(jié)點(diǎn)域、支撐結(jié)構(gòu)等等這些帶來的不同了。希望你能在鋼標(biāo)中有新的發(fā)現(xiàn)。如有疑問或者新發(fā)現(xiàn)，歡迎來一起分享和討論。

四、抗震性能化設(shè)計(jì)vs傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)，如何選擇?

前文已經(jīng)談過規(guī)范的選擇問題，主要是抗規(guī)體系和鋼標(biāo)抗震性能化設(shè)計(jì)的選擇，不再多說規(guī)范選擇的邏輯問題，只是談怎么選擇設(shè)計(jì)更合適更合理的問題。

鋼標(biāo)條文說明對抗震性能化設(shè)計(jì)有如下說明：

“另外，對于很多結(jié)構(gòu)，地震作用并不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制因素，其構(gòu)件實(shí)際具有的抗震承載力很高，因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低，從而降低能耗，節(jié)省造價。”

因此，用句大白話說，只要是按照常規(guī)抗震設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)給抗震措施(包括構(gòu)造)整得不舒坦的，你就得考慮用用抗震性能化設(shè)計(jì)了。

當(dāng)然，用規(guī)矩的語言說，就是地震作用不是那么大，風(fēng)荷載或者變形控制等等都導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力較高的情況，都將是抗震性能化設(shè)計(jì)低延性路徑的適用場合。

其實(shí)經(jīng)常做工業(yè)廠房尤其是普鋼廠房的應(yīng)該早就知道了，在抗規(guī)的9.2節(jié)就已經(jīng)采用了類似的思路，解放了一些構(gòu)造要求。當(dāng)然，現(xiàn)在的鋼標(biāo)抗震性能化設(shè)計(jì)，更為全面，甚至也把門剛類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)納入進(jìn)去了(你可以嘗試看看，如何將常見的門剛結(jié)構(gòu)按鋼標(biāo)的抗震性能化設(shè)計(jì)路徑走通，且不產(chǎn)生什么過多附加的抗震要求)。

對于常規(guī)的按中等到高延性思路進(jìn)行設(shè)計(jì)的情況，抗震性能化設(shè)計(jì)與抗規(guī)的抗震設(shè)計(jì)方法差異不至于太大，方法的選用上矛盾沒有那么突出。

另外對于一些鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑物，采用鋼標(biāo)的抗震性能化設(shè)計(jì)有時也更為合理。

受彎構(gòu)件的計(jì)算

對于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017)(簡稱“鋼標(biāo)”)的受彎構(gòu)件，本來想就整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定分開談。落筆前再想想，鋼標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003)(簡稱“鋼規(guī)”)，似乎沒有那么多修改內(nèi)容，于是就湊在一起，整體來談受彎構(gòu)件的計(jì)算，說說主要的修改及隱藏在條文后的內(nèi)容。另外，感覺前幾個專題寫得太空了，所以這一個專題開始，稍微具體點(diǎn)說。

一、受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算有何不同?

受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算按下式進(jìn)行。

似乎跟鋼規(guī)沒啥大的區(qū)別，僅僅是因?yàn)橐肓私孛娴燃?，?dǎo)致凈截面模量的計(jì)算規(guī)定有一點(diǎn)不同。注意以下三點(diǎn)：

(1)S1~S4截面，在屈服前全截面都是有效的，因此取全截面模量;S5截面允許在屈服前即發(fā)生板件的局部屈曲，因此強(qiáng)度計(jì)算時的截面模量按有效截面，腹板的有效截面與壓彎構(gòu)件處的計(jì)算協(xié)調(diào)，而翼緣采用了簡單的方式處理，取有效寬度。

規(guī)范條文表示“受壓翼緣有效外伸寬度可取15ek”，實(shí)際表達(dá)上有點(diǎn)問題。準(zhǔn)確的意思是，受壓翼緣取外伸寬度和厚度比值為15ek，外伸寬度取15ektf。

(2)S5截面在鋼標(biāo)的引入，使得比鋼規(guī)有所放寬，允許翼緣寬厚比超過15ek/13ek，可按有效寬度計(jì)算。這樣，避免了有些情況下因?yàn)橐砭壱訉拰?dǎo)致厚度必須增加而引起浪費(fèi)(比如按鋼規(guī)設(shè)計(jì)吊車梁，上翼緣有時需要保證一定的寬度，即便受力驗(yàn)算已通過，但如果加寬翼緣，則厚度必須也同時加大)。

(3)要考慮塑性發(fā)展系數(shù)，必須保證截面具備發(fā)展一定塑性的能力，也就是說，截面等級至少得是S3起，S4和S5截面無法發(fā)展塑性。

二、受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定增加了哪些內(nèi)容?

受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定實(shí)際上在規(guī)范編制過程中經(jīng)歷了一些周折，如果看過鋼標(biāo)的征求意見稿就會發(fā)現(xiàn)。在征求意見稿中，整體穩(wěn)定計(jì)算的穩(wěn)定系數(shù)徹底改了，如下式所示。

最終頒布的鋼標(biāo)，把這些改動又徹底刪除了，恢復(fù)了鋼規(guī)的穩(wěn)定系數(shù)公式。而同時給刪除的還有原鋼規(guī)4.2.3的第2款(免除整體穩(wěn)定計(jì)算的條件)：

實(shí)際上既然穩(wěn)定系數(shù)沿用了鋼規(guī)，這一條規(guī)定依舊適用，使用鋼標(biāo)時，還可參考。

鋼標(biāo)在梁的穩(wěn)定內(nèi)容中增加了一個很重要的內(nèi)容，是畸變屈曲的驗(yàn)算公式。畸變屈曲是個啥?看看下圖。既然梁并不全是簡支梁，還有框架梁?？蚣芰荷弦砭売袠前鍟r，下翼緣在負(fù)彎矩區(qū)受壓，上翼緣由于受板的約束不動，會產(chǎn)生下圖的屈曲模式。

鋼標(biāo)給了下列計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

另外注意，鋼標(biāo)第17章的性能化抗震設(shè)計(jì)中，關(guān)于框架梁端塑性耗能區(qū)，有如下針對畸變屈曲的構(gòu)造要求，這在以往的規(guī)范中沒出現(xiàn)過這一概念，需要注意。另外注意，橫向加勁肋是控制畸變屈曲的有效措施。

三、梁的局部屈曲改了啥?

梁的局部屈曲計(jì)算基本都是經(jīng)典板殼穩(wěn)定的內(nèi)容，沒有很大的修改。除了受彎正則化寬厚比的計(jì)算略有變化。鋼標(biāo)的規(guī)定：

梁受壓翼緣未受約束時的153改為了138。規(guī)范的解釋是，腹板應(yīng)力大的時候，翼緣應(yīng)力也很大，無法給腹板提供約束，因此邊界條件變?nèi)?，嵌固系?shù)變化，從而153變成了138。

另外，腹板受剪的正則化寬厚比也有一點(diǎn)變化，如下式，增加了一個系數(shù)(ita)。

對照看，鋼規(guī)的公式如下式：

鋼標(biāo)中的公式：

鋼標(biāo)明確規(guī)定：

鋼標(biāo)條文說明并未給出說明。實(shí)際的理由是，框架梁梁端最大應(yīng)力區(qū)應(yīng)力較大，翼緣無法給腹板提供約束，嵌固效應(yīng)削弱。

從上面的內(nèi)容可以看到，鋼規(guī)在受彎計(jì)算的規(guī)定，考慮更多的是簡支梁的情況，而鋼標(biāo)則全面考慮了結(jié)構(gòu)中各種情況的梁。

另外需要注意的是，從本質(zhì)上說，截面等級的S4級，照理應(yīng)該是和梁受彎計(jì)算處的局部屈曲寬厚比的限值條件完全一致。但鋼標(biāo)考慮了參考國外規(guī)范等等因素，事實(shí)上截面等級處規(guī)定的S4級截面寬厚比限值和局部屈曲處略有不同，設(shè)計(jì)時需要注意區(qū)分。

節(jié)點(diǎn)域設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)域是鋼框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域的一個特定部位，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010，簡稱“”抗規(guī)”)和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003，簡稱“鋼規(guī)”)中都有一些相關(guān)計(jì)算和構(gòu)造的規(guī)定。然而在設(shè)計(jì)時，經(jīng)常有一些疑問存在。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017，簡稱“鋼標(biāo)”)中涉及節(jié)點(diǎn)域的內(nèi)容進(jìn)行了全新的梳理和改動，動作很大，有必要專門來談?wù)?，以便說清楚節(jié)點(diǎn)域相關(guān)規(guī)定的來龍去脈。

一、節(jié)點(diǎn)域的受力特征

節(jié)點(diǎn)域，其實(shí)就是梁柱交接處一塊基本只承受純剪的板，如下圖，兩側(cè)梁端的彎矩，在節(jié)點(diǎn)域通過純剪切受力進(jìn)行內(nèi)力的傳遞(如果忽略梁柱的軸力、剪力)。這一受力特征決定了，節(jié)點(diǎn)域剪應(yīng)力可用梁端彎矩的和除以節(jié)點(diǎn)域體積得到(鋼標(biāo)公式12.3.3-3)。

二、鋼標(biāo)的節(jié)點(diǎn)域承載力計(jì)算

先看規(guī)范條文。很明顯，除了節(jié)點(diǎn)域體積增加了箱型截面柱和圓管柱的計(jì)算公式外，引入了一個節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度。計(jì)算方式和以前一樣。

節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度和受剪正則化寬厚比相關(guān)，計(jì)算如下：

解釋一下：

(1)以往的鋼規(guī)中，都是默認(rèn)了節(jié)點(diǎn)域不發(fā)生彈性屈曲的，所以節(jié)點(diǎn)域強(qiáng)度均采用了抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的4/3倍。

抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值提高為4/3倍，由來已久，是參考了日本鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范的公式，以考慮略去柱剪力(一般的框架結(jié)構(gòu)中，略去柱端剪力項(xiàng)，會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)域彎矩增加約1.1～1.2倍)、節(jié)點(diǎn)域彈性變形占結(jié)構(gòu)整體的份額小、節(jié)點(diǎn)域屈服后的承載力有所提高等有利因素。由于這個4/3已經(jīng)深入人心，鋼標(biāo)沒改，可以看到在第3款的1)中體現(xiàn)了。另外注意，門規(guī)是個例外，自己意識到板件一般很薄，沒采用4/3，只是采用了1.0，未考慮節(jié)點(diǎn)域抗剪強(qiáng)度提高(可就是沒意識到，薄到一定程度，可能彈性屈曲，連fv也可能達(dá)不到呢?)

(2)鋼標(biāo)新引入了節(jié)點(diǎn)域受剪正則化寬厚比。按照板殼穩(wěn)定理論，節(jié)點(diǎn)域受剪可能發(fā)生彈性屈曲，因此抗剪承載力與其寬厚比緊密相關(guān)，而以往規(guī)范中不區(qū)分節(jié)點(diǎn)域板寬厚比統(tǒng)一取抗剪強(qiáng)度的做法是不對的。即，正則化寬厚比0.6以下，抗剪強(qiáng)度fps取4/3fv(參考了日本相關(guān)規(guī)范的試驗(yàn)研究情況，抗剪強(qiáng)度取4/3fv的正則化寬厚比上限為0.52)。另外考慮正則化寬厚比0.8為塑性和彈塑性屈曲的拐點(diǎn)，抗剪強(qiáng)度不再適合取4/3fv，只能取fv。因此，正則化寬厚比在0.6到0.8之間作為過渡段，抗剪強(qiáng)度也在4/3fv和fv之間插值處理。這也就是12.3.3的第3款抗剪強(qiáng)度取值的由來。

(3)門式剛架輕型房屋等采用薄柔截面的單層和低層結(jié)構(gòu)，考慮到節(jié)點(diǎn)域腹板不宜過薄，正則化寬厚比上限取為1.2。

另外，條文說明表示，承載力驗(yàn)算式的適用范圍為正則化寬厚比0.8~1.4，應(yīng)是前后沒統(tǒng)一的問題，顯然正文中上限已經(jīng)改為了1.2(如果你足夠細(xì)心，就會發(fā)現(xiàn)這個上限1.4出現(xiàn)在了征求意見稿中，如下)。

(4)再看一下公式12.3.3-1和-2，是不是似曾相識?是的，上一個專題中梁腹板的受剪局部屈曲用到過?？蚣芰毫憾烁拱搴凸?jié)點(diǎn)域的正則化寬厚比計(jì)算公式是一樣的。另外腹板受剪屈曲應(yīng)力的計(jì)算方式形式也一樣，只是公式參數(shù)略有不同。從本質(zhì)而言，都是受剪板的彈性屈曲承載力問題。

三、鋼標(biāo)節(jié)點(diǎn)域的抗震設(shè)計(jì)

計(jì)算公式如下：

(1)上述公式計(jì)算區(qū)分了結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性等級，按照不同的延性等級分別進(jìn)行計(jì)算。延性等級為I和II級，表示結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按延性耗能的思路進(jìn)行，梁端會進(jìn)入塑性并且強(qiáng)化，因此公式左側(cè)的彎矩采用了梁端的全塑性受彎承載力。同時節(jié)點(diǎn)域不會太薄柔(參見后面的節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造要求)，抗剪強(qiáng)度取4/3fv;延性等級為III級以上，則梁端不進(jìn)入塑性或進(jìn)入塑性有限，因此公式左側(cè)采用了設(shè)防地震性能組合下的彎矩，抗剪強(qiáng)度則采用了fps，按實(shí)際寬厚比計(jì)算。

(2)上述公式17.2.10-1的思路與抗規(guī)中節(jié)點(diǎn)域與梁端同步進(jìn)入塑性節(jié)點(diǎn)域略弱的思路有所差異，系參考日本的相關(guān)規(guī)定，要求節(jié)點(diǎn)域不先于梁柱進(jìn)入塑性(日本規(guī)定中，如果節(jié)點(diǎn)域先于梁柱屈服，則在框架二次設(shè)計(jì)的水平受剪承載力驗(yàn)算時必須考慮節(jié)點(diǎn)域屈服帶來的影響，而我們的規(guī)范體系中壓根沒這類計(jì)算，沒法搞，只能要求節(jié)點(diǎn)域不先于梁柱進(jìn)入塑性。換句話說，抗規(guī)那個規(guī)定并不合適)。

順便指出，鋼標(biāo)條文說明表示，當(dāng)框架梁采用S1、S2、S3級截面時，要求節(jié)點(diǎn)域不先于框架梁端屈服(即滿足公式17.2.10-1)。而正文中是延性等級I和II級，再看規(guī)范17.3.4條，對應(yīng)的截面等級是S1和S2，不包括S3。這是規(guī)范前后沒統(tǒng)一好(個人意見，S3截面還是有一點(diǎn)延性和塑性強(qiáng)化，偏于安全用公式17.2.10-1更好，所以條文說明更合理點(diǎn))。

(3)公式中統(tǒng)一表達(dá)為梁端全截面塑性彎矩的形式，中柱采用了0.85的系數(shù)，是因?yàn)榭紤]了H形截面梁全截面塑性彎矩一般為邊緣屈服彎矩的1.15倍左右。

(4)條文說明明確表示，驗(yàn)算公式基于節(jié)點(diǎn)滿足強(qiáng)柱弱梁要求。當(dāng)不滿足強(qiáng)柱弱梁時，梁端的受彎承載力替換為柱端的受彎承載力即可(梁端和柱端，哪個小按哪個)。

(5)對應(yīng)地，框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)域的正則化寬厚比構(gòu)造要求(限值)如下：

很明顯，這是根據(jù)不同延性等級對應(yīng)節(jié)點(diǎn)域的寬厚比要求，不再是抗規(guī)、鋼規(guī)的一刀切做法。

四、鋼規(guī)和抗規(guī)的節(jié)點(diǎn)域設(shè)計(jì)有哪些不合理之處?

通過上述條文的解讀，對比著看，就會發(fā)現(xiàn)鋼規(guī)和抗規(guī)原來的一些規(guī)定是不盡合理的。

比如，鋼規(guī)規(guī)定：

前文已經(jīng)說過，不管節(jié)點(diǎn)域?qū)捄癖热】辜魪?qiáng)度為4/3fv是不合適的。公式7.4.2-2按條文說明，明顯是抗震要求(這可不是彈性的局部穩(wěn)定問題，而是彈塑性剪切失穩(wěn)條件)，放在鋼規(guī)的條文中，顯然很不合適。

抗規(guī)規(guī)定如下，哪兒不合適，您來說說吧。

疲勞計(jì)算

疲勞是鋼結(jié)構(gòu)中比較特殊的一個問題。在建筑工程的范圍內(nèi)，除了大家熟知的吊車梁外，接觸的疲勞問題并不多。因此，結(jié)構(gòu)工程師對疲勞的基本概念一般比較薄弱，有必要作為一個專題來掰扯掰扯。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017-2003，簡稱“鋼規(guī)”)中就有關(guān)于疲勞計(jì)算的內(nèi)容，而《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017-2017，簡稱“鋼標(biāo)”)中將章節(jié)改為“疲勞計(jì)算及防脆斷設(shè)計(jì)”。本文專門談?wù)勂谟?jì)算問題。

一、什么情況需要進(jìn)行疲勞計(jì)算?

首先，是構(gòu)件及連接承受動力荷載重復(fù)作用，應(yīng)力變化循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定程度，才需要進(jìn)行疲勞計(jì)算。這一點(diǎn)，鋼標(biāo)和鋼規(guī)一致。

上述是一個總體的規(guī)定。對于常見的吊車梁而言，事實(shí)上一般也沒法知道應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，所以規(guī)范給了簡化的規(guī)定，只是要求重級工作制的吊車梁和重級、中級工作制吊車桁架進(jìn)行疲勞計(jì)算：

同時條文說明表示，由于實(shí)際工程中確有使用尚屬頻繁而滿負(fù)荷率較低的一些吊車(如機(jī)械工廠的金工、鍛工車間)，中級工作制吊車桁架有補(bǔ)充疲勞驗(yàn)算的必要。而輕級工作制吊車梁和吊車桁架以及大多數(shù)中級工作制吊車梁，根據(jù)多年來使用的情況和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可不進(jìn)行疲勞計(jì)算。

特別需要注意的是，雖然中級工作制吊車梁可不進(jìn)行疲勞計(jì)算，但在材料選擇時，吊車起重量不小于50t的中級工作制吊車梁，質(zhì)量等級要求應(yīng)與需要驗(yàn)算疲勞的構(gòu)件相同(參見鋼標(biāo)關(guān)于材料選擇的條文)。

二、應(yīng)力循環(huán)中全壓應(yīng)力的部位需要計(jì)算疲勞嗎?

鋼標(biāo)沿用鋼規(guī)的做法，疲勞強(qiáng)度計(jì)算采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值按容許應(yīng)力幅法進(jìn)行計(jì)算，即所謂的基于名義應(yīng)力幅的構(gòu)造分類法。這么做的理論依據(jù)在，大量的研究研究發(fā)現(xiàn)，對于焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度起控制作用的是應(yīng)力幅，通過靜力分析即可得到名義應(yīng)力幅。

那么分類構(gòu)造法，就可以名義應(yīng)力幅作為衡量疲勞性能的指標(biāo)，通過每一類構(gòu)件和連接構(gòu)造的疲勞試驗(yàn)，得到這一構(gòu)件和連接構(gòu)造對應(yīng)的應(yīng)力幅-應(yīng)力循環(huán)次數(shù)曲線，即S-N曲線(看到了吧，你做設(shè)計(jì)就那一個疲勞強(qiáng)度完事，可背后是建立在大量的疲勞試驗(yàn)基礎(chǔ)上的，每一次試驗(yàn)加載時間還特別長，所以愿意搞疲勞研究的人特別少，費(fèi)錢費(fèi)時吃力不討好嘛，得向他們致敬)。

設(shè)計(jì)時候根據(jù)不同的疲勞設(shè)計(jì)時，根據(jù)構(gòu)件和連接構(gòu)造形式找到相應(yīng)的類別(見鋼標(biāo)規(guī)范附錄K中給出的每一種構(gòu)件與連接類別，在鋼規(guī)基礎(chǔ)上補(bǔ)充了不少類別)，按應(yīng)力循環(huán)次數(shù)就能確定對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度。

那么，只有壓應(yīng)力循環(huán)的部位，要進(jìn)行疲勞計(jì)算嗎?

鋼規(guī)規(guī)定，在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞。條文說明表示，按應(yīng)力幅概念計(jì)算，承受壓應(yīng)力循環(huán)與承受拉應(yīng)力循環(huán)是完全相同的，而國外試驗(yàn)資料中也有在壓應(yīng)力區(qū)發(fā)現(xiàn)疲勞開裂的現(xiàn)象，但鑒于裂縫形成后，殘余應(yīng)力即自行釋放，在全壓應(yīng)力循環(huán)中裂縫不會繼續(xù)擴(kuò)展，故可不予驗(yàn)算。

但鋼標(biāo)的規(guī)定改了，說法是，對非焊接的構(gòu)件和連接，其應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞強(qiáng)度。條文說明更明確表示，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度之所以與應(yīng)力幅密切相關(guān)，本質(zhì)上是由于焊接部位存在較大的殘余拉應(yīng)力，造成名義上受壓應(yīng)力的部位仍舊會疲勞開裂，只是裂紋擴(kuò)展的速度比較緩慢，裂紋擴(kuò)展的長度有限，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到殘余拉應(yīng)力釋放后便會停止?？紤]到疲勞破壞通常發(fā)生在焊接部位，而鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的重要性和受力的復(fù)雜性，一般不容許開裂，因此，本次修訂規(guī)定了僅在非焊接構(gòu)件和連接的條件下，在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位可不計(jì)算疲勞。

好吧，鋼規(guī)說裂了不會擴(kuò)展，不用算;鋼標(biāo)說一般不容許開裂，僅僅非焊接構(gòu)件和連接才允許全壓應(yīng)力循環(huán)下不計(jì)算疲勞。換句話說，焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力循環(huán)下即便全是受壓，也得計(jì)算疲勞，這一點(diǎn)需要特別注意(計(jì)算程序是否已經(jīng)修改待確認(rèn)，看看工具箱計(jì)算吊車梁吧)。

三、疲勞截止限是個什么鬼?

鋼標(biāo)增加了下列計(jì)算的條文：

理論依據(jù)是，疲勞研究發(fā)現(xiàn)，無論是常幅疲勞還是變幅疲勞，如果名義應(yīng)力幅低于對應(yīng)構(gòu)件或連接的疲勞截止限的應(yīng)力幅，一般不會導(dǎo)致疲勞破壞。換句話說，應(yīng)力幅低到一個程度，對結(jié)構(gòu)不會造成累計(jì)損傷，咋折騰，都沒事。鋼標(biāo)取了S-N曲線1億次循環(huán)對應(yīng)的應(yīng)力幅為疲勞截止限(見下圖)。

鋼標(biāo)16.2.1條就是利用疲勞截止限的快速驗(yàn)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力幅較低時，可采用公式(16.2.1-1和4)快速驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度。

鋼標(biāo)在鋼規(guī)的基礎(chǔ)上補(bǔ)充完善形成了14類正應(yīng)力幅結(jié)構(gòu)和連接類別，和3類剪應(yīng)力幅類別，并對應(yīng)給出了各類別對應(yīng)的200萬、500萬次疲勞強(qiáng)度和疲勞截止限。另外，附錄在保持鋼標(biāo)19項(xiàng)構(gòu)造分類的基礎(chǔ)上，新增加到38類。

另外需要注意的是，鋼標(biāo)在鋼規(guī)基礎(chǔ)上引進(jìn)了針對板厚和直徑的疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)。

四、常幅和變幅疲勞計(jì)算有哪些修改?

常幅和變幅疲勞公式如下：

正應(yīng)力常幅疲勞的計(jì)算公式按照循環(huán)次數(shù)n分為三個公式，是因?yàn)殇摌?biāo)中的S-N曲線(上圖)在鋼規(guī)基礎(chǔ)上作了修改，由單一直線改為三折線，循環(huán)次數(shù)區(qū)間不同則斜率不同。

變幅疲勞，處理方式與鋼規(guī)類似，由于應(yīng)力幅度在變化，按照經(jīng)歷的不同應(yīng)力幅-循環(huán)次數(shù)(頻次)，采用疲勞研究中常用的Miner線性累計(jì)損傷定律進(jìn)行累加計(jì)算，轉(zhuǎn)換為常幅疲勞問題處理。與鋼規(guī)有所不同的是，鋼標(biāo)采用了應(yīng)力循環(huán)200萬次為等效基準(zhǔn)。

Miner定律解釋如下，實(shí)際上就是將某一應(yīng)力幅經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)與該應(yīng)力幅對應(yīng)的疲勞壽命的比值表達(dá)為該應(yīng)力幅的損傷率，各應(yīng)力幅所累積的損傷率達(dá)到1.0即表示疲勞破壞。顯然，常幅疲勞是一種特例，僅累積損傷一次。

變幅疲勞的等效應(yīng)力幅公式，就是按照損傷率等效進(jìn)行的折算。實(shí)際結(jié)構(gòu)如經(jīng)歷的是變幅荷載，可根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際的應(yīng)力狀況(應(yīng)力的測定資料)，按雨流法或泄水法等計(jì)數(shù)方法進(jìn)行應(yīng)力幅的頻次統(tǒng)計(jì)，預(yù)測或估算得到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜，根據(jù)公式可將變幅疲勞轉(zhuǎn)換為應(yīng)力循環(huán)200萬次的常幅疲勞進(jìn)行計(jì)算。

五、吊車梁的疲勞計(jì)算有何修改?

吊車梁的疲勞計(jì)算公式延續(xù)了鋼規(guī)的計(jì)算公式形式，只是形式上增加了前述根據(jù)板厚和直徑的修正系數(shù)。

顯然，吊車梁的動力荷載是變幅疲勞問題(吊重、小車位置等都會變化)，讓你自己去考慮的話，沒法做設(shè)計(jì)。

規(guī)范中引入了欠載效應(yīng)系數(shù)將變幅應(yīng)力幅折算為常幅應(yīng)力幅進(jìn)行簡化。通過實(shí)測具有代表性的幾個車間的吊車梁，統(tǒng)計(jì)應(yīng)力幅頻次，按上述Miner定律得到欠載效應(yīng)系數(shù)(即統(tǒng)計(jì)后折算等到的等效應(yīng)力幅和滿負(fù)荷計(jì)算的最大應(yīng)力幅的比值)。同時因不同車間實(shí)測的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)不同(推算的50年應(yīng)力循環(huán)次數(shù))，為便于比較，統(tǒng)一以200萬次為基準(zhǔn)，折算得到相對的欠載效應(yīng)系數(shù)，即欠載效應(yīng)等效系數(shù)。