《钢结构设计规范》讲座

《钢结构设计规范》GB50017-2003应用讲座清华大学石永久(1)GBJ17-88从1997年起开始修订，2001年12月完成报批稿，这两年其它规范陆续推出，不断修改协调。(2)吸收了国内外近十年的钢结构研究和工程应用成果，借鉴了欧洲、美国、英国、澳大利亚等国新规范的经验。(3)条文增改部分超过2/3。(4)明确了强制性条文，必须执行。(5)既考虑了原则性、也考虑了可操作性。背景讲解内容(1)新增条文——较详细讲解(2)修改条文——指明修改之处(3)强制条文——重申重要性(4)未改条文——简要概述规范比第1章总则1.0.1条基本原则，未变1.0.2条增加对冷弯成型的构件及其连接要符合《冷弯薄壁型钢结构技术规范》1.0.3条增加提到相关规范名称，如荷载取值必须符合《建筑结构荷载规范》要求、地震区的建筑物和构筑物符合《建筑抗震设计规范》、《构筑物抗震设计规范》、《中国地震动参数区划图》要求。1.0.4条设计原则，未变1.0.5条（强制条文）在钢结构设计文件中，应注明建筑结构的设计使用年限、钢材牌号、连接材料的型号（或钢号）和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其他的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的要求。1.0.6条特殊设计要求，未变第2章术语和符号材料并入第3章。第2章主要列出《建筑结构设计术语和符号标准》（GB/T50083-97）中没有的术语（如腹板“通用高厚比”等），但符号列出较全。第3章基本设计规定3.1设计原则3.1.1条设计基础，未变3.1.2条（强制条文）承重结构应按下列承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计：(1)承载能力极限状态包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机构和结构倾覆。(2)正常使用极限状态包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）。3.1.3条（强制条文）设计钢结构时，应根据结构破坏可能产生的后果，采用不同的安全等级。一般工业与民用建筑钢结构的安全等级可取为二级，其他特殊建筑钢结构的安全等级可根据具体情况另行确定。3.1.4条（强制条文）按承载能力极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。按正常使用极限状态设计钢结构时，考虑荷载效应的标准组合，对钢与混凝土组合梁，尚应考虑永久组合。3.1.5条（强制条文）计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值(荷载标准值乘以荷载分项系数)；计算疲劳时，应采用荷载标准值。3.1.6条计算结构或构件强度和稳定时，动力荷载设计值乘以动力系数；计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不乘以动力系数。局部修改“计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内荷载效应最大的一台吊车确定。”3.1.7条，3.1.8条，3.1.9条移到3.2节3.2荷载和荷载效应计算新增本节3.2.1条（强制条文）设计钢结构时，荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数、动力荷载的动力系数等，应按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用。不能用国外规范结构的重要性系数0应按现行《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定采用。GB50068的7.0.3条注“对设计工作寿命为25年的结构构件，各结构规范可根据各自情况确定0值”。本规范根据工作寿命50年时0＝1.0，工作寿命5年时0＝0.9，规定工作寿命25年取0≥0.95。修订后的荷载规范将屋面均布活荷载标准值统一规定为0.5kN/m2（原规定分0.3、0.5、0.7kN/m2三级），但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。所以本规范在本条注明了“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kN/m2”；对重屋面由于增加了以永久荷载为主的组合，不再提高屋面活荷载。3.2.2条原规范对重级工作制吊车梁，将荷载规范规定的横向水平荷载乘以增大系数以考虑吊车的摇摆力。现改为按下式计算：HK=Pkmax式中Pkmax为吊车最大轮压标准值；系数＝0.1（一般软钩吊车），0.15(抓斗或磁盘吊车)和0.2（硬钩吊车）。根据《起重机设计规范》（GB3811-83），按吊车利用等级（即循环次数，分为U0-U9等10级）和载荷状态（载荷谱系数Kp有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1A8级。本规范所指轻级工作制即A1A3级；中级为A4A5级；重级为A6A8级（其中A8为特重级）。3.2.3条计算屋盖桁架考虑悬挂吊车和电动葫芦时：在同一跨每条运行线路上的台数：梁式吊车≤2，电动葫芦≤1。3.2.4条(原3.1.9条)冶炼车间荷载折减系数，未变3.2.5条结构的计算模型和基本假定应尽量与构件连接的实际性能相符。3.2.6条建筑结构的内力一般按结构静力学方法进行弹性分析，符合本规范第9章的超静定结构，可采用塑性分析。采用弹性分析的结构中，构件截面允许有塑性变形发展。3.2.7条框架结构梁与柱刚性连接，梁柱交角不变，连接能承受最不利内力；梁与柱铰接，充分的转动能力，传递剪力和轴力；梁与柱半刚性连接，具有有限转动刚度，交角变化，确定弯矩—转角曲线，考虑连接变形影响。3.2.8条对的框架结构（一般指无支撑纯框架）宜采用二阶弹性分析”。此处N为所计算楼层各柱轴压力之和；H为所计算楼层及以上各层水平力之和；h为所计算楼层的高度；u为所计算楼层按一阶分析的层间侧移，此处可用位移容许值[u]代替。a．采用二阶分析时，应在每层柱顶附加考虑假想水平力Hni：1.0hHuNsiyninQH12.0250式中，Qi为第i楼层的总重力荷载设计值；ns为框架总层数，取y为钢材强度影响系数；Q235钢，y=1.0Q345钢，y=1.1Q390钢，y=1.2Q420钢，y=1.251/12.0snb.采用二阶分析时，框架柱的计算长度系数＝1.0。c.规范提出了采用二阶弹性分析时，杆端弯矩的近似计算方法：M2＝M1b+2iM1s式中M1b、M1s──分别为框架无侧移或有侧移时按一阶弹性分析求得的杆件端弯矩；2i──考虑二阶效应第i层杆件的侧移弯矩增大系数。如2i1.33，宜增加框架刚度本条不适用于门式刚架和塑性设计刚架hHuNi1123.3材料选用（原规范第2章）3.3.1条（原2.0.1条）增加使用钢材的牌号（原规范有3号钢、16Mn、15MnV）现为：Q235(相当于作废的旧标准的3号钢)Q345(相当于作废的旧标准的16Mn、12MnV、14MnNb、16MnRE、18Nb)Q390(相当于作废的旧标准的15MnV、15MnTi、16MnNb)Q420(相当于作废的旧标准的15MnVN、14MnVTiRE)其中，15MnVN曾用于九江长江大桥（栓焊铁路桥）。3.3.2条（原2.0.2条）下列情况不应采用Q235钢(沸腾钢)焊接结构：(1)直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构；(2)工作温度低于T-20℃时：直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构；承受静力荷载的受弯和受拉重要承重结构；(3)工作温度T≤-30℃的所有承重结构；非焊接结构：工作温度T≤-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构；3.3.3条（强制条文，原2.0.3条）承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验合格保证材质单指标必须齐全3.3.4条（原2.0.3条）对于需要验算疲劳的焊接和非焊接结构钢材应提出冲击韧性合格保证。3.3.5条（原2.0.4条）钢铸件，未变3.3.6条增加Z向钢，厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的，因而需要采用厚度方向性能钢材。我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢材。3.3.7条增加耐候钢技术要求，对耐腐蚀有特殊要求，受腐蚀介质作用3.3.8条（原2.0.5条）增加栓钉材料要求3.4设计指标3.4.1条（强制条文）钢材强度设计值为fy/R。R为抗力分项系数，对Q235钢，R=1.087；对Q345、Q390和Q420钢，R＝1.111。这样对Q345钢来说，比原规范的16Mn（R＝1.087）强度设计值有所降低。原因为：①Q345钢包括旧标准的5种钢材，统计资料不足；②近年来发现16Mn钢质量不理想，稍厚（当t20mm）就容易分层。指标对应计算点的钢材厚度(1)钢板厚度增加到100mm（原规范3号钢50mm，16Mn和15MnV钢36mm），这是为了与轴压d曲线相呼应。其实，厚板的统计资料尚不够充分。板厚16mm时，厚度分组标准变化。(2)Q345钢相应的对接焊缝强度设计值降低。(3)普通螺栓的A、B级，根据GB5782-86，其材料不是3号钢，分为5.6和8.8级，现改取ftb=210，400N/mm2,fvb=190，320N/mm2。(4)普通螺栓的C级，分为4.6和4.8级。(5)增加承压型连接高强度螺栓的抗拉强度。A、B级螺栓都是以前的“精制螺栓”，质量标准要求相同。只是A级螺栓用于d24mm和L（螺栓公称长度）10d或L150mm（按较小值）；d或L较大者称为B级螺栓。铆钉连接在验收规范GB50205中已无条文，在设计中规范中是否保留，意见不一致，现予保留。3.4.2条（强制条文）强度设计值折减系数：单面连接角钢施工条件差的高空焊接增加“无垫板的单面施焊对接焊缝乘以系数0.85”。3.5结构或构件变形的规定正文为原则规定，具体数值规定在附录A。3.5.1条（新增条文）受弯构件的挠度容许值考虑两种情况：［uT］——恒载＋活荷载作用下的挠度容许值，主要是观感要求［uQ］——为活荷载作用下的挠度容许值，主要是使用要求。将吊车梁和吊车桁架挠度改为按一台起重量最大吊车加自重进行计算（相应挠度容许值有所调整）。理由：①符合“正常使用极限状态”的要求；②与多数国外规范相一致。3.5.2条（原3.3.1条）不考虑截面削弱，未变3.5.3条（新增条文）构件预先起拱值，一般取恒载标准值+1/2活载标准值产生的挠度值。原3.3.2~3.3.5条移至附录A第4章受弯构件的计算4.1强度4.1.1条实腹受弯构件，抗弯强度计算x=y=1.0由“直接承受动力荷载”改为“需要计算疲劳的梁”4.1.2条抗剪计算，未变fWMWMnyyynxxx4.1.3条在梁局部承压强度计算中，将集中力在腹板边缘的分布长度增加为（与梁与柱刚性连接节点一致）：式中，a为集中力支承长度；hy为梁外表面至腹板边缘距离；hR为轨道的高度。Ryzhhal254.1.4条折算应力计算，未变4.2整体稳定4.2.1条保证整体稳定的措施，未变4.2.2条平面内稳定计算，未变fWMxbx4.2.3条双向受弯梁稳定计算，未变4.2.4条保证箱形截面受弯梁稳定性，未变4.2.5条(新增条文)梁支座处构造措施防止梁端扭转4.2.6条减小梁受压翼缘侧向计算长度的支撑，按梁受压翼缘为轴心压杆，根据翼缘轴力(如N=sAf)计算所需的支撑，而不再统一取23585yfffAF4.3局部稳定组合梁腹板局部稳定计算有较大变动，主要有：①对原来按无限弹性计算的腹板各项临界应力作了弹塑性修正。②原各种应力共同作用下的临界条件公式来源于完全弹性条件，新的公式（4.3.3-1）等参考了澳大利亚规范等资料，适合于弹塑性修正后的临界应力。③无局部压应力且承受静力荷载的焊接工字形载面梁，规定按新增加的4.4节利用屈曲后强度设计。4.3.1条（新增条文）主要增加内容：（1）受静力和间接动力的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度。（2）受直接动力的吊车梁等应配置加劲肋，且当应计算腹板