《鋼結構設計標準》——截面板件寬厚比的應力修正

“鋼標”引入了截面板件寬厚比應力修正的概念,好像看懵掉的人不少,今天來扯扯。

一、3.5.1條,注5:當按國家標準《建築抗震設計規範》GB 50011-2010第9.2.14條第2款的規定設計,且S5級截面的板件寬厚比小於S4級經εσ修正的板件寬厚比時,可視作C類截面。

《鋼結構設計標準》——截面板件寬厚比的應力修正

雖然我確定其中的每個字你都認識,但你能看明白規範這話的字面意思嗎?背後隱含的又是啥原理?

先看看下面的鋼結構板件彈性穩定公式。根據S4級截面定義,可以這麼來理解:S4級截面的寬厚比限值表示截面的邊緣纖維達到屈服強度時,板件剛好發生局部屈曲。因此,臨界寬厚比(寬厚比限值)表現為與屈服強度的平方根成反比,而表3.5.1中S4級截面的寬厚比限值就是按這個公式用屈服強度得到的結果。

《鋼結構設計標準》——截面板件寬厚比的應力修正

那麼問題來了,如果實際結構中的構件,無論在哪個工況下,截面邊緣應力都沒達到屈服強度(你就簡單理解為應力比小於1.0吧),那麼,這時截面發生彈性屈曲的臨界寬厚比就不再是基於屈服強度得到的表3.5.1的數值,而應該是穩定公式用截面實際的最大應力得到的結果吧?那根據上面的穩定公式,針對實際最大應力的臨界寬厚比(寬厚比限值),不就是用表3.5.1的限值乘上那個應力修正係數(屈服強度與最大應力比值的平方根)來修正?

那麼,按照表3.5.1限值本來屬於S5級截面的,是不是有可能當成S4來看待呢?比如說,假設Q235純彎構件,腹板寬厚比150(在S4級124和S5級250限值之間),應力比(最大應力與屈服強度的比值)為0.49。對它而言,S4級截面的寬厚比限值就變成了124/0.7(即√0.49)=177。梁的腹板寬厚比為150,不超過177,在所有工況下它的腹板就不會發生彈性屈曲,即實際符合S4級截面的要求(當然你也可以按穩定公式的穩定應力來判斷)。

因此,不難看出,表3.5.1注5的那句話實際應該更準確地表達為:“按表3.5.1屬於S5級截面的板件寬厚比,如小於表3.5.1中S4級經εσ修正的板件寬厚比限值時,可視作C類截面。”

此外,應力修正後的S5級截面是否可以視為S4級(道理上等同於C類截面),這兒也應明確,因為這涉及到第17章抗震性能化設計時的具體要求(本文後續部分會談)。從道理上而言,S5級截面寬厚比經應力修正後可視作S4級的做法既然在《建築抗震設計規範》鋼結構廠房中適用,在其它鋼結構抗震中也應可行。

另外,條文說明表示:“表3.5.1壓彎構件腹板的截面板件寬厚比等級限值與其應力狀態相關,除塑性耗能區部分及S5級截面,其值可考慮採用εσ修正。”這個說法實際也不夠準確,更容易誤導。不難看出,本文討論的寬厚比修正關係是基於彈性穩定的情況,也就是說僅僅對某些S5級截面在特定條件下可作為C類(S4級)截面,而S1~S3級截面涉及彈塑性穩定問題,並不適用,規範不如這麼明確說明為好。此外,這兒單獨表述“壓彎構件”也不妥,是不是還包括純彎構件呢?

這兒還需要另外說兩個問題:一是規範沒說明那個應力修正的最大應力是設計值還是標準值;第二,規範沒說那個最大應力是什麼工況組合下,地震組合工況?非地震組合工況?還是所有工況?你覺得這兩個問題的答案是啥?

二、類似的還有7.3.2條,關於軸心受壓構件的板件寬厚比限值修正,這又是個啥意思?

《鋼結構設計標準》——截面板件寬厚比的應力修正

按照上述討論的概念,7.3.2條針對軸壓構件的板件寬厚比限值修正就好理解了。

受壓構件控制受力的極限狀態並不是截面邊緣屈服,而是整體失穩,因此7.3.1條給出的板件寬厚比限值是根據等穩定原則給出的(可以看到7.3.1的公式與長細比掛鉤,根據板件局部失穩與構件整體失穩同時發生而導出),因此這兒的修正係數相應地變成了穩定承載力與軸力比值的平方根。

3、實際17.3.1條也有寬厚比修正的概念:

《鋼結構設計標準》——截面板件寬厚比的應力修正

按條文說明的說法,“由於地震作用的不確定性,而截面板件寬厚比為S5級的構件延性較差,因此對其使用範圍作了一定的限制”,但實際上17.3.1條前半部分已經限定了S5級截面的適用範圍,即50m以下、設防烈度7度以下的多高層及低層鋼結構。但後半句規定顯然不妥。舉個例子,如果設計的是一個門式剛架結構,本來妥妥的採用S5級截面,“鋼標”的抗震性能化設計也和門剛是兼容的。可現在按照這個要求,得把應力比控制得很小,顯然沒這個必要,也沒有理論依據和支撐,顯得不倫不類。而本來採用S5級截面的結構,按“鋼標”抗震性能化設計,地震作用就用得較大,從抗震設計原理而言已無必要再作受力方面的要求。

另外,根據前文所述,按3.5.1條注5的意思,如果S5級截面應力修正後可視作S4級,而“鋼標”這條要求實質就變成了抗震設計的鋼結構均宜滿足S4級截面。亂了,全亂套了,估計你看得也錯亂了,“鋼標”還不如像下面兩種方法取其一處理:

1)按“鋼標”17.3.1條目前定的S5級截面適用範圍,但要求其中的某些結構,比如低層以外的,S5級寬厚比應力修正後需滿足S4級要求,同時在3.5.1條明確僅對S5級截面應力修正後可視作C類截面,但不視作“鋼標”第17章抗震性能化設計時的S4級截面(這是折中方案,邏輯上有點粗暴,但按“鋼標”現狀只能這麼理解)。

2)把S5級截面的適用範圍限制得再嚴一點,比如僅適用於低層和7度以下的低多層鋼結構。同時允許S5級截面應力修正後視作S4級,與《建築抗震設計規範》鋼結構廠房的寬厚比修正同樣對待(似乎是最合乎邏輯也更清晰的解決方式)。


分享到:


相關文章: