如何按新钢标控制宽厚比
新钢标全新引入了截面板件宽厚比等级的概念,但在截面等级的理解及实际设计应用上,存在不少疑问.我们都知道,板件宽厚比大小直接决定了钢构件的承载力及受压、弯构件的塑性转动能力,在很多规范中对宽厚比的限值均有要求,但控制依据有所不同.
本文将系统讲解各规范对高厚比、宽厚比的限值要求,同时对新钢标的板件宽厚比等级及限值进行详细分析,系统梳理出抗震区钢结构板件宽厚比限值的控制,为设计师明确设计思路,并解析PKPM软件中如何实现对于板件宽厚比限值的控制.
《钢结构设计标准》GB50017-2017（简称“新钢标”）第3.5节,按照截面承载力和塑性转动能力,将截面分为五个等级S1-S5,全新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、如何理解以及如何在设计中如何应用,存在不少的疑问.板件宽厚比大小直接决定了钢构件的承载力和受弯及压弯构件的塑性转动能力,在《钢结构设计规范》GB50017-2003（简称“旧钢规”）、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（简称“抗规”）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB51022-2015（简称“门规”）及《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015（简称“高钢规”）中对于高厚比和宽厚比的限值均有要求.
抗规及高钢规均按照抗震构造措施的抗震等级进行高厚比限值的控制.对于单层钢结构及多层钢结构厂房抗规有特殊的要求.门规对钢构件的宽厚比及高厚比限值的控制是判断该构件的强度及稳定组合是否是地震作用控制而确定.新钢标对于宽厚比及高厚比限值是按照板件宽厚比等级进行控制,这与之前旧钢规及抗规中的“宽厚比”和“高厚比”两个名词不太相同,已经统称为“宽厚比”了.新钢标与其他几本规范对于宽厚比与高厚比的限值要求既有区别又有联系,在实际抗震设计中,如何正确的确定板件宽厚比限值比较混乱.本文系统梳理各规范对于宽厚比限值的要求,提出了在设计中如何进行宽厚比限值的控制,同时结合算例展示PKPM软件如何实现对于钢构件宽厚比及高厚比限值的控制.
1.1新钢标对宽厚比等级的划分
按新钢标条文说明,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.绝大多数钢构件由板件构成,而板件宽厚比大小直接决定了钢构件的承载力和受弯及压弯构件的塑性转动能力.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,新钢标按照根据截面承载力和塑性转动能力,参考国际标准,并考虑到我国在受弯构件设计中采用截面塑性发展系数
γx,新钢标将截面根据其板件宽厚比分为五个等级S1~S5,各级截面对应的性能,按照截面受弯的力学性能已经给出了很明确的描述.
S1级截面：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,也可以称为塑性转动截面；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8~15倍.
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；此时弯矩-曲率关系如图1所示的曲线2,?p1大约是?p的2~3倍.
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.
S4级截面：边缘纤维可达到屈服强度,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.
S5级截面：在边缘纤维达到屈服应力前,腹板可能发生局部屈曲,称为薄壁截面；作为梁时,其弯矩-曲率关系如图1所示的曲线5.
图1截面的分类及其转动能力
需要注意的是,S4级截面界限是边缘纤维刚好达到屈服状态.S1~S3级截面,能发展截面塑性,设计中可以按照规范的要求考虑塑性发展系数.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.因此对于板件宽厚比超出了S4时,按照新钢标需要考虑有效截面复核强度与稳定.
1.2新钢标板件宽厚比等级限值的确定
对应欧洲规范EC3的S1~S4截面,新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,S3为中国规范特有的考虑一定塑性发展的弹塑性截面,S4为弹性截面,S5为薄壁截面.
新钢标截面等级确定,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,按三边简支一边自由的板件计算,临界应力达到屈服应力235MPa时板件宽厚比为18.6.按屈服宽厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍适当取整,作为五个截面分级的宽厚比限值,并给了一个表格来对比说明,如图2所示.
图2各种截面屈曲宽厚比和标准取值比较
需要说明的是,0.5、0.6、0.7、0.8和1.1这个系数实际是带有经验性的.S4级截面按0.8,是考虑了残余应力和几何缺陷等影响,S5级截面本来应该是允许板件弹性屈曲而按照有效截面计算的,但考虑到自由边板件局部屈曲后可能带来
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