中美标准对比：钢结构受弯构件

  

本文主要探讨 我国 《钢结构设计标准》（GB50017 -2017 ）、 《钢结构通用规范》（ GB55006-2021 ） 和 美标 AISC360 在 钢结构受弯构件 方面的比较与分析。

在具体讲验算公式之前，首先我们来关注一点。在 AISC360 中非常明确的说明了关于受弯验算的公式均基于支座有足够抗扭约束的前提。原文如下：

事实上，在我国的规范里也有类似的规定，如 《钢结构通用规范》 （ GB55006-2021 ） 的4.1.4条规定“构件约束端及内支座处应采取措施保证截面不发生扭转”； 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 的6.2.5条规定“梁的支座处应采取构造措施，以防止梁端截面的扭转”。这一点似乎可以与近日大家热议的佳木斯倒塌的体育馆联系在一起。也许这不是导致倒塌的直接原因，但从现场照片来看确实是缺少对钢支座处钢梁的必要抗扭构造。

让我们回到规范本身。 AISC360 对受弯构件的截面类型分为Compact、Noncompact和Slender。从字面上看，这三类截面可以直译为：“紧凑型”、“非紧凑型”和“纤细型”，但这样的翻译似乎更加让人费解。

以材料为Q235的H型钢翼缘为例，当翼缘宽厚比小于 时，截面类型为Compact；当宽厚比大于 ，且小于 时，截面类型为Noncompact；当宽厚比大于29.5时，截面类型为Slender。

在 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 中，S2与S3级的分界宽厚比为11，这与 AISC360 的规定比较接近；S5类截面的翼缘最大宽厚比为20，小于 AISC360 对Slender截面的定义。由此可见，Compact截面比较接近 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 的S1和S2类截面；Noncompact比较接近S3、S4和S5类截面；与Slender对应截面类型已经超出了 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 的截面分类，更接近薄壁型钢截面。我们知道S1和S2截面是抗震截面或者可以称作为“延性截面”，因此， AISC360 中的Compact不如可以理解为“延性截面”，Noncompact则可以理解为“普通钢截面”，而Slender则实实在在是薄壁截面了。

在 AISC360 中，针对Compact、Noncompact和Slender分别给出了需要验算的内容，总体上包括受弯强度和稳定验算，其中稳定验算的类型比较多，包括横向扭转失稳验算、受压翼缘局部失稳验算、腹板局部失稳验算等。

下文以腹板和翼缘均为Compact类型的双轴对称H型钢构件的主轴受弯验算为例，分析中美规范的区别。

双轴对称H型钢，且截面满足腹板和翼缘均为Compact类型的构件主轴受弯验算内容包括：（1）强度屈服验算；（2）横向扭转失稳验算。

（1）强度屈服验算  

 

这个式子中，     是绕强轴塑性截面模量。

与 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 相比，主要的区别在于     和     。对于H型截面，     。一般情况下，塑性截面模量与弹性截面模量的比值大于1.05。由此可见，对于S1类和S2类截面，AISC360计算得到的强度承载力大于 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 。这也说明了，AISC360对截面的塑性发展能力利用的更加充分，S1和S2类出色的截面特性直接体现在了承载力上，而我们规范更多的在强调这类截面的延性，其优势主要体现在满足抗震规范要求的耗能特性。

（2）横向扭转失稳验算    

当     时，不需要验算横向扭转失稳；

当     时，

 

当     时，

 

 

看到上述公式，我相信大部分人都会感到很陌生。因为我们熟知的受弯构件整体稳定验算公式完全不是这样的，那个神秘的     不知所踪，就像在受压验算时没有出现受压稳定系数φ一样。这一点上也体现了两本规范在总体思路上的一个区别。 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 的很多公式都看上去很简单，但其中往往把丰富的内容浓缩到一个或几个参数上，就比如这个     ，在 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 中用整整一个附录C来描述这个参数的计算方法，而且附录C也仅仅给出了     的计算公式，而没有这些公式的来源。相比之下， AISC360 的上述公式倒显得简单一些了。根据受压翼缘的面外支撑间距，将承载力验算分为三类，其中涉及两个临界支撑间距， 和 分别为塑性、弹塑性失稳和弹性失稳的分界无支撑间距，     可按照以下公式计算：

 

 

当受压翼缘的面外支撑间距小于     时，无需验算横向扭转失稳，表示不会发生面外失稳；当面外支撑间距大于     ，但小于     时，可能发生弹塑性失稳；当面外支撑间距大于 ，会发生弹性失稳。

下面来看一下一个简单的算例。

AISC360-10   验算过程和结果如下：

 

《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 验算过程和结果：

 

对于这个算例， AISC360 计算得到的应力比是0.69，而 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 计算得到的应力比是0.77。从材料强度上看， 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 的Q235强度设计值为215MPa，略高于 AISC360 -10的     。导致结果差别的其中一个原因在于 AISC360 对于S1和S2类截面的塑性利用程度大于 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 。

对于上述算例，受压翼缘的面外支撑间距介于 L p和 L r之间，属于第二种类型。为了更加全面的比较其它类型的差别，在上述算例的基础上进一步做深入分析，假设受压翼缘的无支撑间距是个变量，研究其最终应力比与无支撑间距的关系如下图所示。

 

观察两条线走势可以看出， 《钢结构设计标准》 （GB50017 -2017 ） 计算得到应力比大于 AISC360 。当面外支撑间距较小时，两者差别较小；当支撑间距较大时，两者的差别较大，尤其当支撑间距大于     时，两者的差别更加显著。由此也可以看出GB50017对于受弯构件的面外扭转弹性失稳考虑的更加保守一些。

本文仅以Compact截面为例比较了中美规范在计算方法和计算结果上的区别。除了Compact截面，还有很多其它类型，本文的结论不一定适用于所有类型。另外，需要再次说明的是各国的规范都有自己的体系，与可靠度、材料水平、加工和施工水平等诸多因素相关。本文仅从验算公式本身出发进行比较，不足以说明整体的区别。

来源：DS工作室，作者：DS汪明