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专栏上线|17钢标疑难浅析(12)

GB50017—2017《钢结构设计标准》(简称17钢标)已于2018年7月1日正式实施。对比前一版的GB50017—2003《钢结构设计规范》,17钢标在内容上进行了大量的修订和增补,特别是增加了诸如钢结构设计直接分析法和钢结构抗震性能化设计等新内容。为使大家在应用17钢标进行设计时能够正确理解条文和条文说明,钢结构公众号(id:steel_construction)在2019年特设专栏刊登《钢结构》编委、17钢标主编王立军大师的系列讲座“17钢标疑难浅析”。

有别于通常对标准的讲解材料和专题报告,本系列讲座的问题直接来源于17钢标的条文及条文说明,通过构想作者与读者共同学习17钢标的场景,发掘出读者在应用17钢标进行设计时即使反复研习了条文和条文说明仍有理不清的那个问题,从标准编制者的角度为读者理清问题的概念、逻辑和关联,打通从标准条文、条文说明到设计应用之间的最后一道屏障。

该系列讲座将每月推送一期,每期刊登三个问题,从第二期开始,我们将刊登读者对前期问题的讨论及作者对讨论的回复,同时也将在钢结构期刊上刊出(本期内容见2019年12月的《钢结构》期刊),欢迎大家关注和留言,就当期内容热情讨论。

34 钢结构稳定(第5章,第7章,第8章)

17钢标在保留传统的计算长度法的前提下,引进了直接分析法。对于平面内稳定,第7章保留了轴向受压构件的弯曲屈曲,第8章保留了偏心受压构件的弯曲屈曲,第5章为压弯构件的直接分析法。

稳定问题与强度有关,但又不仅是强度问题。考察无缺陷轴心受压的欧拉杆,不考虑材料的强度问题(即假设强度无限大)。当压力小于欧拉临界力时,它处于稳定平衡状态,即此时给它一个横向干扰力,它不会失稳。当压力大于欧拉临界力时,它处于不稳定平衡状态,此时撤除压力,它可以回到初始状态,但给它一个横向干扰力,它会失去稳定。虽然欧拉临界力是在假设杆件受压达临界力时具有一个挠曲变形得到的,但它表示的是轴压杆的一种固有特性,与材料强度无关,是一个弹性平衡问题。

上述论证表明,对于任何材料的轴压杆,都可以有一个与之对应的弹性欧拉临界力。由于材料是有强度的,对于短杆,杆件的承载极限不可能按欧拉临界力曲线无限上升,它的极限承载力为屈服承载力。

对于处于非弹性区的轴压杆,即达到屈曲临界力时材料进入应力-应变曲线的非弹性区,其承载力是一个弹塑性平衡问题。根据切线模量理论,轴压杆达到屈曲临界力时,杆件开始弯曲,截面的凹区出现屈服。真正的临界力是截面凹区屈服后扩展最终与外力达到极限平衡的结果,故取开始弯曲时的切线模量对应的临界力为非弹性欧拉临界力,它只比真正的极限承载力小一点。

欧拉杆是轴压杆的理想状态,实际的杆件会有初始缺陷,使得其受力后就会沿初挠度方向弯曲,因而它的极限承载力在弹性阶段是以欧拉临界力为极限的弹性承载力,在非弹性阶段是以切线模量理论的临界力为极限的弹塑性承载力。

对于压弯构件,它的受力过程与具有初挠度的轴压构件类似,表现为沿弯矩方向的弯曲屈曲。弹性阶段屈曲时,截面边缘的应力达不到屈服应力,杆件的临界力表现为弹性承载力。弹塑性阶段受力后截面凹区屈服后的扩展最终与外力达到极限平衡状态,此时得到的杆件临界力为弹塑性承载力。

从上面可见,压杆屈曲的承载力从来就不是截面边缘纤维屈服时的承载力。对于弹性区,它是与欧拉临界力相对应的弹性承载力,对于弹塑性区,它是截面塑性区和弹性区应力与外力平衡的结果。从这个意义上讲,由杆件的截面边缘纤维开始屈服得到的承载力偏低,也不是真正意义上的屈曲承载力。

直接分析法按照压弯构件截面边缘纤维应力达到屈服的条件计算压弯杆的承载力。从上面的分析可知,严格意义上这还不是屈曲承载力。直接分析法的优势为不需要计算杆件的计算长度,由此避开了计算长度法需要计算长度这一关键参数而有时又非常不好确定的尴尬。对于非弹性阶段,直接分析法给出的对应于截面边缘纤维屈服的承载力偏小但偏于安全,对于弹性阶段它给出的是杆件的弹性承载力。

35 钢结构抗震设计(第17章)

17钢标第17章为抗震设计。采用性能化的设计方法,引入高承载力、低延性和低承载力、高延性两种方法进行抗震设计。对于我国“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准抗震设计原则,采用第17章基于设防烈度地震的以性能系数为基础的设计方法能保证“小震不坏”和“中震可修”,但要保证“大震不倒”,则要经过一番研究。

对于低烈度区,采用高承载力、低延性的方法通常可以获得良好的经济性,此时地震工况组合往往不是设计控制工况,结构的截面设计(包括混凝土结构配筋、钢结构用钢量)由其他组合工况(如风载)控制。此时罕遇地震弹塑性计算容易满足“大震不倒”要求。

对于高烈度区,采用低承载力、高延性的方法通常可以达到良好的经济性,也容易满足罕遇地震弹塑性计算“大震不倒”要求。此时地震组合工况一般为设计控制工况。如采用高承载力、低延性的方法,钢筋用量或用钢量通常会加大,而且也不易满足罕遇地震弹塑性计算“大震不倒”的要求。

对于规则结构,这个分界在7.5度左右。即7.5度及以下可采用高承载力、低延性的弹性方法进行结构设计;8度及以上采用低承载力、高延性的塑性方法进行结构设计。对于非规则结构,这个分界会偏向于7度。

36 抗震加固(第17章

在抗震加固设计时,由于建筑功能的改变和规范的变迁等原因,待加固的结构往往不能满足抗震构造要求,比如混凝土结构箍筋加密区直径不够或钢结构的截面板件宽厚比过大,不满足GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》要求。

此时可以应用17钢标性能化抗震设计高承载力、低延性的概念,通过提高强度满足抗震要求。比如对一个钢框架结构,要满足GB 50011-2010的多遇地震设计要求,即相当于17钢标性能6(表17.2.2-1),按表17.1.4-2丙类延性等级为Ⅱ级,查表17.3.4-1要求截面板件宽厚比等级为S2。如为工字形框架梁,翼缘外伸段的板件宽厚比应为11(表3.5.1)。如果原设计的工字形框架梁按弹性截面S4设计,宽厚比为15,则宽厚比不满足GB 50011-2010的要求。解决这个问题可采用加大地震力的方法,即对应S4截面,采用性能4,将水平地震作用力加大到多遇地震的0.55/0.35=1.57倍进行抗震承载力验算,如能满足这一承载力要求,这个1.57倍多遇地震+S4截面与1倍多遇地震+S2截面是相当的,即满足了GB 50011-2010要求。

需要注意的是,如果待加固的结构后续使用年限不是50年,可以采用GB 50023-2009《建筑抗震鉴定标准》的方法进行加固设计。按此标准第1.0.1条的条文说明,后续使用年限30、40、50年的地震作用力相对比例为0.75、0.88、1.0。当时该标准后续使用30、40、50年对应的建筑分别为20世纪80年代、90年代和2000年以后所建的建筑,分别对应78抗规、89抗规和2001抗规。考虑各规范构造要求、材料强度、地震参数的差异,该标准在计算地震作用力时,对应后续使用30、40、50年的建筑,分别采用2001抗规的0.85、0.95、1.0倍地震作用力进行抗震承载力计算。因此,对于目前的抗震加固设计,可以采用该鉴定标准的思路,按GB 50011-2010的0.85、0.95、1.0倍地震作用力进行抗震承载力计算,分别对应于后续使用年限30、40、50年的建筑。

来源:王立军. GB 50017-2017《钢结构设计标准》疑难浅析(12)[J]. 钢结构,2019,34(12):115-116.

DOI:10.13206/j.gjg2019122

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专栏:17钢标疑难浅析

该篇文章刊载于《钢结构》2019年第12期,如需购买请点击以下链接:

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作者: ganggouren

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