中美钢结构规范拉压构件设计方法比较.pdf

6 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 期 总第 1 3 9期 中美钢结构规范拉压构件设计方法比较 梁德勇 黑龙江省工程咨询评审中心 ， 哈尔滨1 5 0 0 1 0 【 摘要】 作为国际上的一种通用规范， 美国钢结构设计规范的应用经常成为涉外工程标书中的要求， 运用 美国规范， 深层次理解美国规范， 都是工程实践中设计人员普遍关心而又迫切需要解决的问题。本文通过介绍 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 中国钢结构规 范和 A S I C L R F D 1 9 9 9 美 国钢结构规范对 杆式构 件在拉 、 压作用 下 的计算规 定异 同， 同时结合结构分析软件 S A P 2 0 0 0 ， 对静定桁架进行算例分析， 并比较异同， 供工程设计人员参考使用。 【 关键词】 中国规范； 美国规范； 钢结构； 构件计算； S A P 2 0 0 0 【 中图分类号】 T U 3 9 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 o l o m 一 0 0 6 2 0 3 随着我国建筑业 的快速 发展 ， 很 多工 程项 目已不 再局限于我国 自行 设计 、 自行 施工 ， 一 些 国际知 名 的 设计公司、 建筑公 司参 与国 内重大项 目建设 的例 子 比 比皆是。这就要求我们在 熟知本 国规范 的同时 ， 还要 了解国外的相关规 范， 特别 是耍 明晰不同规范之 间的 异同。基于上述考虑 ， 本课题拟从 基本 构件在简单 荷 载作用下的相关计算规定 出发 ， 研究 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 中国钢结构 规范⋯和 A S I C ． L R F T 1 9 9 9 美 国钢 结构规 范 A 【 2 j 对杆式 构件 在拉 、 压作用 下 的计算 规定异 同。 同时 ， 结构分析软件 S A P 2 0 0 0 ， 对 静定桁 架钢结 构形式 进行算例分析 ， 比较其在用 钢量方面的差异。 1 轴心受拉构件的强度 对于轴心受拉构件 ， 初弯曲 和残余应力 等初始缺 陷不会影响其承载力。根据承载能力的极限状态， 毛 截面届服 时， 杆件伸长很大 ， 达 到“ 不适 于继续 承载的 变形” ； 而净截面只是 杆件的局部 区域 ， 达到屈 服时整 个杆件变形不大， 不会影响继续承载， 因而净截面达 到钢材的抗拉强度才 是极限状态_ 3 j 。所 以， 很多 国家 对轴心拉杆都是按“ 毛截面屈 服” 和“ 净截面拉断” 的准 则来进行计算 。 毛截面屈服的计 算式为 d N ／ A≤ ／ r R≤f 1 净截 面断裂的计算式为 ≤ ． ．厶 0 ．8 争． f 2 r ≤ 一 R u f y’ 一r R ‘ z 式 中， Ⅳ为轴心拉力 ； A为毛截面面积 ； ． 4 为净 截 面面积 ； 为钢材抗拉强度 ； F R u 为净截面断裂 的抗力 分项系数 ； ， 为毛截面断裂的抗力分项系数。 由于断裂 的后果 要比构件屈服更为严重 ， 所以 r ． 的取值偏 高， 使 F R ／ r m 0 ． 8 。 “ 中国规范”为了方便设 计， 对有孔拉杆按净截面屈服进行计算 ， 即 d N ／ A ≤ ／ r Rf 3 对轴心受拉构件的强度 ， “ 美 国规范 ” 考虑毛截面 屈服和净截面断裂两种极 限状态 ， 即要求避免 全截 面 屈服而产生过大变形 或净截面发生 断裂 破坏 ， 设计强 度 P 应取毛截面屈服和净截面拉断两种极限状态 得到的两个值中的较小值。 1 对于毛截面的屈服 0 ． 9 P F A 4 2 对于净截面的拉断 0 ． 7 5 P F A 5 式中， A 为有效 净 截面积 ； A 。 为构件 毛 截面积 ； 为指定最小屈服点 ； F 为指定最小抗拉 强度 ； P 为 名义轴 向强度 ； N为轴心拉力。 “ 美国规范”规定设计强度应取毛截面屈服和净 截面拉断两种极限状态得到的两个值 中的较小值 ； “ 中国规 范”则一律按净截面屈服进行计算 。 可见 ， “ 中 国规范” 留有更多的强度储备 ， 计算偏于安全。 2 轴心受压构件的计算 2 ． 1 轴心受压构件 的整体稳定 令“ 中国规范 ” 采用 极限承载 力理论 进行轴心受 压构件整体稳定计算， 通过计算机用数值方法求解 ， 得出多条柱子曲线， 即 关系曲线供设计使用。 构 件截面按残余应力的分布和大小分为 a 、 b 、 c、 d四类。 轴心受压构件整体稳定计算公式 为 Ⅳ ／ ≤f 6 式 中， 为轴心受压构件整体稳定系数。 “ 美国规范” 轴心受压构 件的整 体稳定 ， 按理 想轴 心受压杆计算 ， 在 弹性 阶段 采用 欧拉 I临界应力 ， 在 弹 塑性阶段采用切 线模 量临界应 力 ， 初弯 曲、 残余 应力 等不利影响用安全系数考虑。 1 对于紧凑或非紧凑截 面的轴心受压构件容 许应力为 当压杆长细比 ／ r c c 时 F 1 2r 2 E ，式 中， c c 是相应 于欧拉应力等于 F ／ 2 时的长细比值； 5 一 ％ 是 考 虑 残 余 应 力等影 响的安全系数。 2 对于细长截面的压杆 的轴 心受压 构件容许 应力 为 2 ，a≤ 3 8Cc 一 8Cc 3 式 中 ， C c √ ； Q Q 。 Q 2 1 5 “ 当 ／ r C c 时 F a I Z r r - ／ 5 “ 中国规范” 在计算过程 中通 过柱子 曲线 的处理 ， 综合考虑 了残余应力 、 初弯 曲和初偏 心 等不利 因素 的 影响 ， 比较符合实际 ， 与试验 结果也 比较一致 ； 而“ 美国 规范” 则将初弯曲和残余变形等不利影响用一个安全 系 数 喜 墨 一 来 考 虑 ， 比 较 简 单 。 2 ． 2 轴心受压构件的局部稳定 因为局部屈 曲构 件 中 的部分 板件 将退 出受力 而 使其它板件受力增大， 也可能使对称截面变为不对称 截面 ， 从而加 速构 件整 体 失稳 而丧 失 承载 能力 。 保 证 板件局部失稳不先于整体失稳的方法 ， 是对其宽厚比 加以限制。 确定板件宽 高 厚 比限值的原则有两种 一 种是 使 构件 应力 达 到屈 服 前 ， 板 件不 发 生 局部 屈 曲， 即局部屈 曲临界应 力 大于 或 等于 屈服 应力 ， 它适 用于短柱 ； 另一 种是使 构 件整 体屈 曲前 ， 板件 不发 生 局部屈 曲， 即局部屈 曲临界应 力大 于或等 于整体 屈 曲 临界应 力 ， 常称 为等稳 定性 准则 ， 它对 中长柱 和长 柱 较合理l 4 J 。 我国规范在规定轴心受压构件宽 高 厚比 限值 时 ， 主要 采用后 一 准则 ， 在 长 细 比很 小时 参照 前 一 准则予以调整。 具体计算公式见 “ 中国规范 ” 。 “ 美国规范” 是 以理论 压屈 应力 不 小于材 料 的屈 服应力为依据 的 ， 即板件宽厚 比 8 式 中 为泊松 比； k为与板 件几何尺寸 和边 界条 件有关 的屈曲系数 。 根据不 同的宽厚 比限值 ， 美 国规范将 构件截 面分 为紧密 、 不 紧密 和 细长 截面三 类 ， 不 同截 面 的容许 应 力取值不同 。保证 板 件局 部 失稳 不先 于 整体 失稳 的 方法 ， 是对其 宽厚 比加 以限制。确 定板件 宽 高 厚 比 限值 的原则 有 两种 一 种是使 构件 应力 达 到屈 服前 ， 板件不发 生局 部屈 曲； 另一种 是使 构件 整 体屈 曲前 ， 板件不发生局部屈 曲 ， 常称为等稳定性 准则 。“ 中国规 范” 在确定 宽厚 比限值 时， 主要 采用 的是 等稳 定性 准 则 ， 在长细 比很小 时以屈服强度予以调整 ； “ 美 国规范 ” 则是把屈服强度作为确定宽厚比限值的主要依据。 3 S A P 2 0 0 0算例分析 静定桁架的计算与其他类型结构相 比， 有两个特 点 一是 ， 只受结点荷载 ； 二是 ， 释放各单元两端 弯矩 自 由度 。下面举例介绍如何运用 S A P 2 0 0 0 进行 静定桁架 的分 析与设计 ， 并对结果进行对 比。 图 1 桁 架计 算简 图 如图 1 所示 跨度 为 3 0 m， 高 5 m的静 定桁 架 ， 上 部 各结点受集 中荷载 1 5 k N ， 下部各结点受集 中荷载 3 0 k N 作用 ， 已知 E1 ． 9 9 91 0 8 k N ／ m 2 ， 截 面 采 用 直 径 为 0 ． 3 m的圆钢 。分 别运 用 中美 钢结构 规范 对其 进行 计 算 ， 并 比较结果异 同。 选取左边顶部横杆的中部截面进行分析， 按中国 2 0 0 3 规范 计 算 的轴 力应 力 比为 0 ． 0 3 8 ； 按 A I S CL R ． F D 9 9规范计算 的轴力应力比为 0 ． 0 1 7 。 从上 面的内力计算 和应力 比分析 可见 ， 在 相 同荷 载作用下， 按中美规范计算得到相 同的轴力值， 而由 轴力值 与相应 承载力 设计 值之 比得 到 的应 力 比却不 同 ， 按“ 美 国规范” 的得 到的值较小 。可 见 ， 按 “ 美 国规 范” 计算可以得到更大 的轴 向承载力设 计值 ， 用 “ 中国 规范” 计算则较 为安全 ， 这与 2 ． 2 节 中对轴 心受拉构件 的强度分析结果 一致 。 4结语 本文首先详 细介绍了“ 中国规范 ” 和“ 美 国规范 ” 分 别对拉压构件计算的规定及其理论基础， 而后分别运 用 “ 中国规范” 和“ 美 国规范” 对几个典 型的结构进行 了 内力 、 变形、 用 钢量等方 面 的分 析和 比较 ， 发现在 运用 国内外规范进行构 件设计和计算 的过 程 中， 有 时可 以 得到 同样 的结果 ， 比如相同结构受相同荷载 ， 最终得到 同样 的内力 ； 但有时候则不 同， 比如在相同荷载相 同结 构形式时 ， 中美规 范设计 出的截面 却有很 大差 别。这 说明中美规范在基本内容上还是有一个传承和交流的 ／V ≤ ，0 一 ￡ 低温建筑技术 2 0 1 0年第 1 期 总第 1 3 9期 组合 结构疲劳研究进展 董亮， 彭洋 同济大学 土木工程学院． 上海2 0 0 0 9 2 【 摘要】 组合结构由于其优越的受力性能以及显著的经济性， 在桥梁和建筑结构中得到广泛使用。国内 外对于组合结构的静力性能已有较全面深刻的认识 ， 而关于其疲劳性能， 国内现有的研究还很有限。对国内外组 合结构， 特别是组合梁的疲劳性能研究进行了综述， 并提出组合结构疲劳性能研究未来的研究重点。 【 关键词】 组合结构； 组合梁； 疲劳 【 中图分类号】 彻 9 8 f 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 s { 2 O l O O l o o 6 4 0 3 PROGI N RE s EA J R CH ON FAⅡ GI 】 E P】 t I Y oF C0M oS 玎 I RI 瓜 ES DONG L i a n g，P E NG Ya n g C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t C o m p o s i t e s t r u e t u r e s a r e w i d e l y u s e d i n b r i d g e a n d b u i l d i n g s t r u c t u r e s ，d u e t o t h e i r h i 【g h me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d n o t a bl e r e d u c t i o n i n c o s t ．C o mp r e h e n s i v e an d i n d e p t h r e s e a r c h e s h a v e b e e n d o n e o n the p e r f o r ma nc e o f c o mpo s i t e s t r u c t ur e s u n d e r s t a t i c l o a d s，wh e r e a s l i mi t ed s t u d y wa s a i med a t the i r f a t i g u e p r o pe me s ．Th e s tat e o f - a r t o f f a t i g u e p r o p e r t i e s o f c o mp o s i t e s t r u c t u r e s ，e s p e c i a l l y co mp o s i t e b e a ms，i s r e ～ v i e we d，an d sev e r al k e y po i n t s o ff u r t h e r r e s e a r c h e s a r e p r o v i d e d． Ke y wo r d s c o mp o s i t e s t r u c t u res ；c o mp o s i t e b e a ms ；f a t i g u e 组合梁桥因其重量轻， 施工方便 ， 不影响交通， 且 具有极好的延性和抗震 性能 而广 泛应用 于各 种跨越 交通干线和大型立交。上世纪 4 0年 代至 6 0年代 ， 组 合梁的应用范围由桥 梁逐步 扩展到工业 与民用建筑 ， 且 由主要承受静力 荷载 的结构 向承 受反复 动力荷 载 的结构扩展。将于2 0 1 0 年上海世博会前建成的京沪 高铁上海虹桥站， 其站房主体与其下方的地铁虹桥站 工程合建 ， 整个工程 主体分 为 5层 ， 地 上 2层 ， 地 下 3 层。地下部分深3 0 m ， 为框架结构； 地上为大跨度桁架 结构 ， 建筑总高度 4 0 m 。站 台结 构 中大 量采用 型钢混 凝土构件， 由于高速铁路站台直接承受动力荷载的重 复作用 ， 因此其结构构件和连接 节点 的疲劳性 能需 得 到保证 _ l j 。桥梁的结构形式一般 为连续组合 梁结构 ， 而如站台结构之类的民用建筑中多为框架组合结构， 过程在里面 ， 同时又结合了各 自的国情和设计 习惯。 参考文献 [ 1 ] G B 5 1 7 2 0 0 3 ， 中国钢结构规范[ s ] ． [ 2 ] A S I C L R F D 1 9 9 9 ； 美国钢结构设计规范[ s ] ． [ 3 ] 崔佳 ， 魏明钟， 赵熙元 ， 等 ． 钢结构设计规范理解与应用[ M] 北京 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 这说 明在多种结 构形式 中应用 组合 构件来 抵御疲 劳 荷载是可行 的。 1 组合结构疲劳研究现状 崔玉 萍总 结 了 日本 学 者 M i s u a k i I z u m l 和 N o r i a k i Y a m a d e r a 于 1 9 9 0年对钢筋 混凝 土梁及型 钢混凝 土梁 的受弯疲劳性能研究[ 3 j ， 该研究得到如下结论S R C 梁中钢梁的疲劳强度 比混凝土板内的钢筋低， 因此试 验中构件的破坏是 由钢梁 的疲劳引起 的。 1 9 9 5 年 ， A l b r e c h t 等 J 对 预应力 钢． 混凝土 组合梁 的疲劳性能进行 了试 验研究 。预应力 通过 钢绞 线施 加 ， 且为 了消除 由钢梁 的表面状 态差别 带来 的影 响 ， 在受拉翼缘焊了一块钢板 这种构造使得疲 劳破坏从 此钢板两端的焊接处开始发生， 从而钢绞线和栓钉始 终正常工作 。试验结果表明 [ 4 ] 张耀春 ， 周绪红 ． 钢结构设 计原理 [ M] ． 北京 高等教 育出版 社 ， 2 0 0 4 ． e 收稿 日期] 2 O O 90 92 2 [ 作者简介 ] 梁德 勇 1 9 7 3一 ， 男， 辽 宁黑山人 ， 国家一级 注册 结构师和国家一级 建造师 ， 从 事工程项 目， 初步 设计 的评估、 评审等技术工作。 编辑李卉玉