中英钢结构规范轴心受力构件计算比较.pdf

低温建筑技术 2 0 1 2 年第7 期 总第 1 6 9期 中英钢结构规范轴心受力构件计算 比较 金永泰 黑龙江省 建筑设计研究院 ． 哈尔滨1 5 0 0 0 1 【 摘要】 作为国际上的一种通用规范， 英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 ， 如何 运用英国规范 ， 如何深层次理解英国规范， 中英规范存在哪些差别 以及造成这些差别的原因是什么， 这些都是工 程实践中设计人员普遍关心而又迫切需要解决的问题。本文针对中英两国规范中的轴心受力构件， 进行了相关 规定的比较 ， 为工程设计人员进行涉外工程设计提供了参考。 【 关键词】 轴心受拉构件； 轴心受压构件； 整体稳定； 临界应力 【 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 0 1 2 0 7 0 0 5 4 0 3 1 轴心 受拉构 件的强度 对轴心受拉构件， 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 面屈服时 ， 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。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 N ／ A≤f ir ≤f 1 净截面断裂 N ／ A ≤r R ／ r R u I f , f ir R 0 ． B y , I f , f 2 式中， Ⅳ为轴心拉力； A为毛截面面积； A 为净截 面面积 为钢材抗拉强度 ； r R Ⅱ 为净截面断裂的抗力 分项 系数 。 由于断裂的后果要 比构件屈服更为严重 ， 所以 r 鼬 的取值偏高， 使 r ／ r 0 ． 8 。 为了方便设计， 我国规 范⋯ 对有孔拉杆按净截面屈服进行计算 ， 即 N ／ A ≤ ／ r Rf 3 由于我国推荐钢种的强屈比 较大， Q 2 3 5 钢 ≥ 1 ． 5 9 ， Q 3 4 5钢 ≥ 1 ． 3 6 ， Q 3 9 o钢 ≥ 1 ． 2 6 ， Q 4 2 0钢 ≥ 1 ． 2 4， 一般均超过 1 ． 2 5 。 所以对有孔拉杆， 公式 2 一 般偏于保守， 对无孔拉杆， 则公式 3 与 1 相同。 对轴心受拉构件的强度，“ 英国规范”用了有效 截面的概念口 。 构件抗拉承载力 P ． 按下式计算 P。 A。P 4 式中 ， A 。 为截 面的有效面积 。 连接的有效截面既构件在带有紧固件开孔连接 处的有效截面A 应等于 乘以其净截面面积， 但不应 大于其毛截面面积。 对于 B S 4 3 6 0 钢有 K e1 ． 2 ， 4 0 或 4 3钢 ； 1 ． 1 ， 5 0或 WR 4 3钢 ； K e1 ． 0 ， 5 5钢 。 另外， 英国规范对一些具体的构件的有效截面做 了具体的要求。 1 ． 1 单角钢、 槽钢和 T形钢 在下列情况 ， 单角钢单肢连接 ， 单槽钢只通过腹板 连接、 T形钢只通过翼缘连接， 有效截面面积应取连接 肢的净 截面 面积 加上 外伸 肢 面 积乘 以折 减 系数 3 a 。 ／ 3 a 。 口 ， 式中， 口 。 为连接肢的净截面面积； 口 为 非连接肢的截面面积。 对于双角钢构件， 如连接到节点 板或截面一侧时， 各角钢可按上述规定单独设计。 1 ． 2 双角钢 背对背双角钢连接到节点板或截面的一侧时， 若 满足 ① 直接接触或分开一小距离而填人垫板， 此距 离不应大于这部分的总厚度 ； ② 用螺栓和焊缝连接， 使各部分的长纳 比不超 过 8 O ， 则有效截 面面积取 连接 肢的净面积加上外伸肢 的截面面积乘以折城系数 5 a ， ／ 5 a 。 a 。 注 角钢的每肢的截面面积应取角钢 的厚度乘以外缘长度减去厚度之半 T型钢每肢的截 面面积取厚度乘以高度减去翼缘厚度。 从上面 的比较可看 出， “ 中国规范”按净截面屈 服 进行计算 ， 运用公式 3 ； “ 英 国规范”按的是有效截 面屈服， 即在净截面的基础上乘于一个系数 K ， 并且 从英 国规范 中可 以看 出 K ≥ 1 ， 运用公式 4 。 因此不 难看出， 在轴心受拉构件强度计算方面， “ 中国规范” 比“ 英 国规范”留有更多强度储备， 计算偏于安全。 2 轴心受压构 件的整体 稳定 对于截面没有孔眼削弱的轴心压杆来说， 通常整 体稳定是确定其截面的最重要因素 。 为保证轴心压 杆的整体稳定， 应使截面上的平均应力 N ／ A不超 过稳定计算的临界应力， 即 N ／ A ≤ ／ r R ／ f , f r ／ r R 5 或写成 o rN ／ ≤f 6 金永泰 中英钢结构规范轴心受力构件计算 比较 5 5 式中， A为毛截面面积， 由于杆件失稳是沿全长弯 曲， 部分截面中孔眼削弱的影响很小 ， 故不予考虑； ／ f , 为轴心受压构件的整体稳定系数， 为临界应 力与钢材屈服点之比。 从以上可知， 轴心压杆整体稳定的关键 问题是如 何确定临界应力 J r 或整体稳定系数 。 理想轴心受压直杆的临界应力计算公式为 o r E,1 7 “2 E ／ A 7 式中， E为钢材的弹性模量； A为杆件的长细 比。 当应力超过材料的比例极限， 进入弹塑性范围后， 欧拉 公式不再 适用 ， 宜采 用切线模量公 式 o r 。 o r 仃 l／ A ， 式中， E 。 为非弹性范围的切线模量。 实际工程中的杆件并不是完善的直杆 ， 不可避免 地存在缺陷。 其中影响最大的是残余应力、 初弯曲和初 偏心 J 。 而且这三种缺陷往往同时存在， 但从概率观 点 ， 三种缺陷同时达到最不利的可能性很小， 因此作为 实用的柱子曲线 ， 可只考虑认为影响最大的两种缺陷， 在理论分析中， 只考虑残余应力和初弯曲两个最主要 的影 响因素 。 对于由热轧钢板和型钢做成的普通钢结构， 其轴 心压杆的柱子曲线 ， 采用最大强度准则确定。 考虑残余 应力和初弯曲的不利影响后 ， 不但沿截面各点上而且 沿杆长方向各截面， 其应力 一应变关系都是变数， 很 难 列 出临界盈 利的解 析式 。 “ 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 A一 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 N I q , a≤， 8 式中， 为轴 心受 压 构件 整 体稳 定 系 数， ／ 。 “ 英国规范” 考虑压杆整体稳定时认为受压杆件的 长度 可取杆件在平面内可能有效防止失稳的位置约 束 p o s i t i o n a l r e s t r a i n t 或 方 向 约 束 d i r e c t i o n a l r e s t r a i n t 点间的距离， 约束应该具有充分的强度和刚 度以阻止约束点在位置和方向上的移动。 受压杆件的位 置约束应能承受不小于被约束构件 l ％ 轴向力的荷载， 并能将次荷载传至相邻的位置约束点。 抗压强度 P 取 决于截面的长细比A， 设计强度 尸 或细长截面的折减强 度和相关柱子曲线， 当由钢板焊接成的组合截面， 值 应该降低 2 0 N ／ m 。 因此英国规范采用下式进行计算 9 1 0 式 中， P 为欧拉强度 仃 E ／ A ； r l 为 P e r r y系数。 对 于弯曲失稳 P e r r y 系数 0 ． 0 0 1 a AA 。 ， 但不小于 零。 其中口 为R o b e r t s o n 系数 ， 可取2 ． 0 、 3 ． 5 、 5 ． 5 、 8 ． 0 。 A 2 F ． 为长细比， A 。 为极限长细比 A 。0 ． 2 卡。 f y 从上面的比较中我们可以看出， “ 中国规范”综合 考虑了残余应力、 初弯曲和初偏心等不利因素的影响， 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A一 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。 比较符合实际， 与试 验结果也比较一致。 “ 英 国规范” 考虑了截面的长细比 A． 设计强度 P ， 及细长截面的折减强度和相关柱子曲 线， 得出计算公式。 两 国规范虽然表现形式不太一样 ， 可考虑 的东西基本 相同 。 3工程实例 分析 为验证以上理论分析的正确性， 以沈阳某钢结构屋 架工程为例， 应用 S A P 2 0 0 0 结构分析软件进行了对 比分 析 。结构计算模 型如 图 1 所示 ， 为一跨度 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E 2 ． 0 1 0 。 k N ／ m 2 ， 截面采 用直径为 l 9 6圆钢管。分别用中英钢结构规范对 其进行计算， 并 比较结果异同。 图l静定桁槊计算模型 取左侧顶部横杆 中部截面进行分析， 按 C h i n e s e 2 0 0 2规范计算其应力 比为 0 ． 3 8 ， 而按英国 B S 5 9 5 0 1 9 9 I 规范计算的应力比为 0 ． 3 4 。可以看出， 在相同荷 载作用下 ， 按“ 英 国规范” 计算可以得到更大的承载力 设计值 ， 而用“ 中国规范” 计算偏于安全。 4结语 通 过对 “ 中 国规范 ” 和 “ 英 国规范 ” 在轴 心受 力 构 件计算方面的条文比较可以看出， 两国规范有以下方 面的异 同 1 在轴心受拉构件强度计算方面 “ 中国规 范” 按净截面屈服进行计算， 运用公式 3 ； “ 英 国规 范” 按的是有效截面屈服， 即在净截面的基础上乘以 一 个系数 ， 并且从英 国规范中可以看出 ≥1 ， 运 用 公式 4 。因此不难看出， 在轴心受压构件强度计算 方面 ， “ 中 国规 范”比“ 英 国规 范 ” 留有 更 多 的强 度储 备， 计算偏于安全。 2 在轴心受压构件的整体稳定和压弯构件的 稳定计算方面 虽然两国规范的具体表现形式不太一 5 6 低温建筑技术 2 0 1 2年第7 期 总第 1 6 9 期 考虑理想 失效模式型钢 混凝 土框架优 化 童军福， 刘琳 ， 周鸿霖 西 安建筑科技大学土木工程 学院 ． 西安7 1 0 0 S 5 1 【 摘要】 型钢混凝土构件因具有承载力大、 刚度大、 构件截面尺寸小、 良好的延性以及较好滞回特性及耗 能性能， 被越来越广泛地应用。目前关于型钢混凝土框架的优化、 可靠度及失效模式的研究也比较多， 可将失效 模式与优化相结合的多 目 标优化研究比较少 ， 本文考虑理想失效模式利用遗传算法对型钢混凝土框架进行多目 标优化。 【 关键词】 型钢混凝土框架； 多目 标优化； 理想失效模式； 遗传算法 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ． 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 2 0 7 0 0 5 6 0 3 型钢混凝 土结构因其 良好的受力性能及变形性 能越来越被广泛应用 ， 学者对于型钢混凝土结构受力 性能及失效模式的研究越来越多且越来越深入 ， 可对 于其机构优化方面的研究少之甚少， 可见将来对于型 钢混凝土结构优化设计研究有很大前途。 近年来发生的一系列破坏性地震造成了惨重 的 人员伤亡和巨大的经济损失 ， 研究怎样使结构在地震 作用下由非理想的整体倒塌失效模式式 如发生突 然 ， 或对应低临界荷载值等 向理想模式 如有征兆地 发生， 或对应高临界荷载值等 转化迫在眉睫。 综上所述， 考虑失效模式的型钢混凝土结构的优 化具有重要意义， 本文将失效模式和结构优化相结合， 探讨适合型钢混凝土框架优化的有效方法。 1 优化设计简要过程 本文提出的优化方法主要通过以下步骤实现 ① 建立优化模型； ②通过 A N S Y S建立参数化模型； ③利 用遗传算法进行优化。 1 ． 1 失效模式讨论 门式框架计算简 图见图 1 。 V I I I I I I l I I I 图1门式框架竖向计算筒图 通过查阅资料以及别人的实验研究发现 门式 框 架共有以下 9种失效模式 ， 见图 2 。 f ＼ 、 1 厂] f ＼ 1 f 、 、 1 f 、 、 1 1 2 圆 4 5 厂]‘ 【囝 广1 c 7 ．n n 9 1 0 图2门式框架失效模式简图 本课题是经济效益与失效模式双 目标优化， 从图 中看出， 失效模式 1 、 2 是符合本课题要求的理想 样， 给出的具体计算公式也不一样， 但是公式中考虑的 影响因素和公式得出的思路基本相同。 3 虽然在某些 问题的处理上， 也许英国规范 更加简便， 而中国规范则考虑得更加全面， 但并不能说 明用哪一种规范更好， 因为每一条规定都有其使用背 景和要参照的具体情况。这就需要在选用规范的时 候 ， 不但要研究具体条文规定 ， 还须了解条文形成的背 景和适用的情况 ， 不可生搬硬套 ， 以免造成工程事故。 参 考文献 [ 1 ] B S 5 9 5 0 1 9 9 0 ， 英国钢结构设计规范[ S ] [ 2 ] G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ， 中国钢结构规范[ s ] ． [ 3 ] 崔佳， 魏明钟， 赵熙元， 但泽义．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 ． [ 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 o o 4 ． [ 5 ] 彭俊生， 罗永坤． 结构概念分析与 S A P 2 0 0 0 应用[ M] ． 成都 西南交通大学出版社， 2 0 0 5 ． [ 6 ] 陈世民， 何琳， 陈卓． S A P 2 0 0 0结构分析简明教程[ M] ． 北京 人 民交通 出版社 。 2 0 0 4 ． [ 收稿 日期] 2 0 1 2 0 5一l 5 [ 作者简介] 金永泰 1 9 7 3 一 ， 男， 哈尔滨人， 高级工程师， 从 事建筑结构设计与研究工作。