浅谈现行钢结构设计规范的应用局限

1、常用 钢结构 设计规范

国内的结构工程师在进行 钢结构工程的结构设计时，所用到的指导性的规范主要有以下几类：

《钢结构设计规范GB50017-2003》

《冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002》

《网架结构设计与 施工规程JGJ7-91》

《网壳结构技术规程 JGJ61-2003》

《高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98》

《型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001》

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程CECS102-2002》

当然，设计中真正要用的还有诸如荷载规范以及抗震规范等等相关的资料。

而最主要的是《钢结构设计规范GB50017-2003》，目前也到了新旧规范交替的时候了，新规范的报批稿将于2011年出台，因此有必要对现行规范在具体的工程应用中发现的问题做一些总结。

钢结构设计规范早先是由冶金工业部组织编纂的，因为钢铁 材料（当时也称黑色金属）的产品开发、生产归口在冶金部，而且冶金部所属的也有较大规模的综合设计院以及建设施工单位，具备编纂钢结构规范系统的资料及人才。

当时的钢结构主要用在工业建筑中，而且编纂规范的结构方面技术 专家所从事的 研究着重于重型冶金工业厂房，因此，钢结构规范中总有着工业建筑的影子，比如关于受弯构件的 研究针对简支吊车梁。随着钢结构在民用建筑中的广泛采用，受弯构件不单纯是简支吊车梁，用吊车梁的受力特性来代表所有受弯构件，明显存在很多问题。如果从今天的角度来看，或者说假如钢结构规范现在来规划的话，可能会有不一样的内容，当然前提是没有以前规范的框架摆在你眼前。我们希望新版规范能跳出从前的框架，有不一样的作为，而不仅仅是修修补补。

下面介绍近年实际工作中所遇到的一些困惑，希望编制者能从应用者的角度提出一个崭新而实用的新版规范。

2、 现有规范存在问题

2.1 构件截面方面

由于钢结构最初面向的主要是工业建筑，因此基本构件的截面类型是热轧型钢、 H型钢和钢管，设计计算用到的系数和公式，也都局限于这些截面类型。


图1 新型组合截面

随着大量的诸如体育场馆、展览馆等公共建筑的建设越来越频繁地采用大跨钢结构以及像相贯线切割机等制作加工设备的日益成熟，有着流畅相贯节点的管桁架结构越来越多的被建筑师采用，03规范也适时地增加了一节关于管桁架的内容。桁架结构体系中，杆件主要受拉压，因此圆管截面是常用的形式，但在某些特殊情况下，如存在较大的节间荷载时，需要构件具有一定的抗弯性能，那么如图一所示的两种截面肯定是不二的选择，而且第二种截面还结合了檩条的功用。

此二类截面仅仅是从管桁架结构体系中衍生出来的，在实际工程中的组合截面形式层出不穷，那么，现在就有一个很简单的疑问，作为受弯构件，我们该如何给出它的整体稳定系数φb？我们的规范只有非常有限的几种截面形式有对应的计算公式，对新出现的组合截面形式就会感到束手无策，而一味地依赖结构分析设计软件的人根本不会留意这个问题，让它通过却留下了隐患。

还有一些常用的截面形式也被忽视了，那就是十字柱以及相近截面。

2.2基本构件的计算公式对截面的覆盖范围局限

关于基本构件的计算公式，这里举一个双向弯矩作用下的实腹式压弯构件的强度计算公式，就可以说明问题。

《钢结构设计规范GB50017-2003》的5.2.1条的公式如下：


公式中Wnx、Wny是X、Y方向的抗弯净截面模量，其值应该是截面惯性矩I与截面最远端到中性轴的距离。也就是：


那么对于图2的十字形截面在纵横跨厂房中经常遇到，在高层建筑中，常作为型钢混凝土柱中的型钢。


图2 十字形截面柱

如果不假思索地将公式5.2.1应用到上图的十字形截面中，你所得到的应力会是四个角点位置上的值，但是截面在该处是空的。如果用几个你常用的软件来算算这样的截面，看看结果，就会发现有多大的误差。

这个例子说明一个问题，那就是规范条文的编制者，在解决某一个或者某一类问题时，思想中有一个隐约的限制条件，这里的情况似乎就是，我只要解决工字形和箱型截面就行了。这一点在条文5.2.5中也可以得到证实，所列稳定性的公式仅用于双轴对称的实腹工字形和箱型截面的压弯构件。

2.3 计算公式的适用对象

如今手写计算书的时代一去不复返了，但这样的事实也给结构计算以及规范编制的指导原则带来一定的影响。原来很多计算公式的实用性（包括一些计算参数的选择），肯定会顾及到应用者手算的可行性。实际上，很多的结构设计手册甚至将公式在一定范围内的计算结果制成可查阅的表格，从而给结构工程师在具体工作带来快捷和方便。对结构设计软件的过分依赖，造成了目前所遵循的计算公式的适用对象似乎不是结构工程师应考虑的问题，而是由软件来自行判断。实际上，研究与应用应该属于两个层面的问题。

对结构设计软件过分依赖的另一个恶果是，我们甚至无法验证结果的正确性。一方面软件的使用者仅仅看最后的计算结果是十分危险的，一个简单公式的应用都有很多的前提条件，一个复杂结构的分析以及构件的验算要考虑的东西更多。无论是使用者对条件的理解与软件本身有差别，或是软件本身编制所考虑的问题不周密，都会造成结果的错误。所以结构工程师千万不要看到计算结果通过就认为万事大吉。

另一方面，作为专业软件开发方，如果不能严密地解决某一个问题，一定要清楚地说明其适用的范围，所提供的计算文档一定要有详尽的计算过程，以备软件使用者的校核。然而现实的软件一般提供的计算书均非常简略。

2.4 受拉构件的端部传力验算

对于受拉构件，现行规范和手册考虑的内容似乎都非常简单，均归于《钢结构设计规范GB50017-2003》公式5.1.1-1


还有关于摩擦型高强螺栓最外列处的验算，考虑了摩擦力的孔前传递的影响。条文说明中只是一笔带过，不很清晰。

而翻开美国钢结构协会AISC的ASD和LRFD，我们可以发现，针对受拉构件，特别对端部连接处的验算有着非常详尽的内容，比如有效净截面验算，包括判断不利净截面位置准则、有效截面系数的取值，以及端部受剪块验算等等。

在我们“国标”设计的规范中能体现有效截面概念的大概只有设计原则中，如关于角钢单肢连接按轴心受力计算强度时，对强度设计值进行0.85的折减。

仔细考虑起来，上述问题确实常常被设计者所忽视，因此，规范有必要增加一些相应的计算规则。

2.5 CECS102-2002规程中柱计算长度系数

在设计钢结构门式刚架时，某些柱的计算应力很低，但长细比却大大地超标。比如图3所示中跨为36m，边跨为6m的钢结构轻型门式刚架。


图3门式刚架立面

从内力结果你可以看出边柱的轴向压力很小，而从构件验算中则有边柱的长细比非常之大。究其原因会发现该柱的计算长度系数异常。一路找下去，一直找到《规程》中关于柱在刚架平面内的计算长度的计算公式，也就是 ，其中 是计算长度系数。

《规程》中的公式６.1.3-7a和公式６.1.3-7b



分别针对柱脚铰接和刚接两种情况。其中 是欧拉临界力，Ｋ为柱顶在水平荷载下的侧移刚度， 是各柱竖向荷载与柱高之比求和， 为所求柱的竖向荷载，根据公式可以看出，当该柱的竖向荷载很小，极端情况为０时，按上述公式得到的计算长度系数自然是无穷大。

那么公式中的“竖向荷载”在具体设计中究竟应该取什么值，文献[1]认为将‘规程’规定 为第i根柱所承受的竖向荷载处理成第i根柱在各种工况组合下所承受的最大轴向压力，但问题是所计算柱在某一种工况组合下的稳定应力，求该稳定应力所用到的长细比竟去用另一种工况组合的计算长度显然不合适，而且，假使这种处理方法可行，依然会找到最大轴向压力接近0的柱，如前面提到的例子。

究其原因，《规程》条文说明中指出，该公式是参照美国 标准AISC《钢结构房屋荷载和抗力系数设计规范》，作者查阅了LRFD（1999）的相关章节。涉及受压构件的最重要的是稳定问题，而除荷载以外的跟稳定有关的是“长细比”这个参数，计算长细比是要用到“计算长度”可以说是基本参数中最为玄妙的，与它相关的基准参照是上下均为不动铰的情况，这时的几何长度即为计算长度，其他情况下的计算长度，通过几何长度乘以一个系数，该系数称为“计算长度系数”，就是上面提到的 。对于无侧移框架柱，考虑到柱上下端处梁的刚度约束，实际的计算长度应该小于几何长度，因此， 是个小于1的数，而对于有侧移的框架柱， 值大于1，文献[3]给出了该公式的详细推导过程，而《规程》中所涉及的 的计算公式是属于考虑P-D效应的方法。所谓考虑P-D效应是属于二阶效应，也就是柱顶在一阶分析荷载下有了水平侧移D，而作用在柱顶的垂直力依然存在，那么此时必然有一个P.D的附加弯矩，公式中的侧移刚度等体现了P-D的二阶效应的影响，而让设计者感到茫然的公式分母中的 ，在LRFD（1999）中也有相同的表示。
（C-C2-5）
而LRFD涉及到的相关描述如下：“同一楼层的附加弯矩之和 会重新分配，受荷小的柱将会承担受荷大柱的 的一部分”。而文献[3]中对该公式进行了推导，而体现 的是一个经验放大系数 。这是基于一个假定：“结构失稳模式基于结构同一层柱同时按相同模式对称或反对称失稳”。这就造成无轴向压力柱必须计算长度非常大才能满足这一假定。

其实将结构的整体失效通过单个受压构件设计来体现，是常用设计方法，虽然在很早以前设计者发现了其中的问题，但问题一直没有解决。我们在具体的计算工作中，笃定地应用着这些简化的公式，但细细想过它们背后的简化假定条件，还有推导这些公式的荷载假定，不免还是有些悚然。

同样的问题在其它方面也存在，比如阶形柱的计算长度系数，特别是高低跨交界处阶形柱计算长度系数，相信其他设计者也发现了一些问题，作者在此不再展开。

当然，技术工作者也还在寻找一些新的解决方案。

2.6 节点

钢结构节点的计算设计方法也是钢结构设计中的一个重点和难点，在前文提到新的截面形式，自然也会有相关的节点形式出现，指导设计者的规范已远远不能满足日常工作的需求。下面笔者给出一些实际工程中遇到的问题：

1) 对钢结构节点设计而言，刚性柱脚的设计是非常重要的环节，然而目前设计者所能参考借鉴的有关钢结构刚接柱脚的设计方法基本上都是传统的平面结构体系下延续过来的，只能考虑一个方向的弯矩作用。但是，在实际工程设计时，结构往往是空间三维模型下进行有限元分析，这样在进行柱脚设计时所采用的节点内力，必然有双向弯矩作用的情况，特别是当两向弯矩值相差不大时，问题就出现了。

2) 圆管柱在实际工程中的应用非常广泛，但是圆形柱脚的刚性连接计算方法，一直未见规范性介绍。

3) 图4所示节点都是实际工程中的照片，同样，对它们的计算方法也找不到规范支持。



图4 常见超规范公式节点

3、 结论

笔者根据多年工程设计经验，指出了现行钢结构设计规范及手册中存在的一些问题，可为新规范编制参考，也可引起设计人员足够重视，避免工程隐患。

参考文献

[1] STS软件如何计算门式刚架中变截面柱的计算长度系数 《钢结构》2004.5

[2] LRFD（1999）

[3] 钢结构稳定理论与设计 科学出版社 陈骥编著

[4] 《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102：2002》

[5] 钢结构高等分析理论与实用计算 科学出版社 郑廷银编著

[6] 李星荣 等 ，钢结构连接节点设计手册（第二版），中国建筑工业出版社

[7] 钢结构设计手册（第三版）中国建筑工业出版社

[8] 靳慧等 ， 弯、剪、扭共同作用下刚接圆管柱柱脚计算 工业建筑 2005，12（84-87）

[9] 《钢结构设计规范GB50017-2003》

[10] D.P.Thambiratnam and P.Paramasivam, , “Base Plates under Axial Loads and Moments”, Journal of Structural Engineering - ASCE, Vol. 112, No. 5, 1986, pp 1166-1181.

[11] R.Tarkowsi, D.Lamblin and G.Guerlement, “Baseplate Column Connection under Bending: Experimental and Numerical Study”, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 27, 1993, pp 37-54.