钢结构设计规范理解与应用

《钢结构设计规范》理解与应用
重庆大学土木工程学院崔佳
第1章概述
1.1《钢结构设计规范》的历史
●解放初期：НИТУ 1-46
●1955年：НИТУ 121-55
●1974年：TJ 17-74
●1988年：GBJ 17-88
●2003年: GB50017
1.2设计文件中对材料质量的要求
规范规定：设计文件中应注明“采用的钢材牌号，连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其它的附加保证项目。

此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的其它要求。

”
钢结构设计文件中应注明的这些内容与保证工程质量密切相关，因此将本条确定为强制性条文。

第2章材料
2.1 钢结构对材料的要求
1.较高的抗拉强度及屈服点；
2.较高的塑性和韧性；
3.良好的工艺性能（冷加工、热加工、可焊性）。

2.2 钢材的种类和牌号
1. 规范推荐的钢材牌号
普通碳素钢：Q235 (相当于旧标准的3号钢)
普通低合金钢：
Q345(相当于旧标准的16Mn、12MnV、14MnNb16MnRE、18Nb)
Q390(相当于旧标准的15MnV、15MnTi、16MnNb)
Q420(旧标准的15MnVN、14MnVTiRE)
钢材的质量等级
分A、B、C、D、E级（E级仅用于Q345、Q390、Q420等低合金钢）。

钢材的基本保证项目：
（1）抗拉强度、屈服点、伸长率；
（2）化学成分：硫、磷、锰、碳（Q235-A不作交货条件）；
（3）冷弯试验、冲击韧性（+20︒、0︒、-20︒）。

第（3）项A级钢不保证，必要时可附加冷弯试验的要求。

规范对用于承重结构的钢材应具有的强度、塑性、韧性等力学性能和化学成分等合格保证项目作出了规定。

“承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

”
2.其他可选用或代用的钢材
（1）“高层建筑结构用钢板”YB4104
特点：
a.降低硫、磷含量和焊接碳当量；
b.提高屈服点、缩小其波动范围；
c.提高冲击功、增加弯曲试验；
d.保证厚度方向性能到Z35（数字为厚度方向截面收缩率%）。

（2）“Z向钢”GB/T5313
厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的，因而需要采用厚度方向性能钢材。

特点：
a.降低含硫量（仅为一般钢材的1/5或以下）；
b.提高截面收缩率（Z15、Z25、Z35）
我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢材。

（3）“优质碳素结构钢”GB699
（4）“桥梁用结构钢”GB/T714
（5）“锅炉用碳素钢和低合金钢”GB713（6）”船体用结构钢”GB712
（7）“压力容器用钢板”GB6654
（8）“耐侯钢”—〈高耐侯性结构钢〉GB/T4171
〈焊接结构用耐侯钢〉GB/T4171（9）“钢铸件用钢”GB11352
符号：ZG-200-400、ZG-270-570
屈服点抗拉强度
2.4 钢结构的连接材料
1.手工焊焊条
E43××——适用于Q235；
E50××——适用于Q345；
E55××——适用于Q390、Q420。

××表示焊接电源种类及药皮类型，见表2.11、2.12。

2. 自动（半自动）埋弧焊的焊丝与焊剂
焊丝：H08A
Q235
H08MnA
H08MnA
Q345焊剂：431型H10MnSi
H10MnSi
Q390、Q420
H08Mn2Si
选用原则：焊缝金属的力学性能不低于母材。

3. 普通螺栓
精制螺栓——A、B级
普通螺栓的A、B级，根据现行国家标准GB5782-86，其材料不是3号钢，而是5.6级、8.8级和10.9级等。

A、B级螺栓都是以前的“精制螺栓”，质量标准要求相同。

A级螺栓用于d≤24mm和L（螺栓公称长度）≤10d或L≤150mm（按较小值）；d或L较大者为B级螺栓。

粗制螺栓——C级分4.6级和4.8级。

4. 高强度螺栓
高强度螺栓的性能等级：8.8级、10.9级。

大六角头螺栓扭剪型高强度螺栓（10.9级）
第3章基本设计规定
3.1 设计原则
1. 设计方法
承载能力极限状态和正常使用极限状态是结构或构件设计及计算的依据，钢结构设计一般采用概率极限状态设计方法。

但由于现阶段对疲劳计算的可靠度理论问题尚未解决，所以钢结构的疲劳强度计算只能沿用传统的按弹性状态计算的“容许应力幅”的设计方法，容许应力幅 是根据试验结果得到，故应采用荷载标准值进行计算。

另外，疲劳计算中采用的计算数据大部分是根据实测应力或疲劳试验所得，已包含了荷载的动力影响，亦不再乘动力系数。

钢结构设计规范对结构或构件承载能力的计算一般采用应力表达式。

根据《建筑结构荷载规范》，当按承载能力极限状态设计钢结构时，对于基本组合，内力设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值考虑。

钢结构自重较小，一般是由可变荷载效应控制设计，只有当采用钢筋混凝土楼面（或屋面）板或有积灰的屋盖结构以及特殊情况才有可能由永久荷载控制设计。

对荷载效应的偶然组合，本规范参照统一标准只作出了原则性的规定，具体的设计表达式及各项系数应符合专门规范的规定。

2. 钢结构的安全等级
按照现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》的规定，对破坏后果很严重的重要的房屋，安全等级为一级；对破坏后果严重的一般的房屋，安全等级为二级。

由于《统一标准》是对各设计规范的统一指导，不可能针对各种结构规范给出具体建议。

本规范根据对我国已建成的建筑物采用概率统计方法分析的结果，一般工业与民用建筑钢结构，按照《统一标准》的分级标准，安全等级多为二级，故规定可取为二级。

对于其它特殊的建筑钢结构，其安全等级应根据具体情况另行确定。

如对于跨度等于或大于60m的大跨度结构则宜取为一级。

由于本规范定位为不抗震设计，故所有条文均是针对不考虑抗震的情况而制定。

当按抗震要求设计时，不再分安全等级，而应按现行国家标准《建筑抗震设防分类标准》GB50223的规定来确定建筑物的抗震设防类别。

3. 结构的重要性系数γ
《建筑结构可靠度设计统一标准》7.0.3条注“对设计工作寿命为25年的结构构件，各结构规
范可根据各自情况确定γ
值”。

钢结构设计规范
根据工作寿命50年时取γ
＝1.0，工作寿命5年时
取γ
0＝0.9，故规定工作寿命25年时取γ
＝0.95。

4.关于吊车荷载的最不利组合
88规范在计算吊车梁挠度时对吊车荷载取由两台吊车产生的最不利组合，新规范改为由一台吊车加自重进行计算（相应挠度容许值有所调整）。

理由是：
①符合“正常使用极限状态”的要求；
②与多数国外规范相一致。

3.2 荷载和荷载效应计算
新修订的钢结构设计规范强调了对设计原则的指导。

突出设计原则是目前各国规范的共同特点，早期的规范条文以试验或实践经验为主，故条文简单具体。

随着结构形式越来越复杂，规范的任务不再仅限于提供计算公式和具体数据，而是应给予设计原则的指导。

因此，规范补充了有关设计原则的有关条文。

1.屋面活荷载
新修订的《建筑结构荷载规范》将不上人的屋面均布活荷载标准值统一规定为0.5kN/m2（原规范分0.3、0.5、0.7kN/m2三级）。

对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范取0.3kN/m2，后发现对重屋面偏低，74规范改为0.5kN/m2。

采用概率极限状态设计法后发现对以恒载为主的结构（混凝土结构）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。

新修订的荷载规范增加了以恒载为主的不利组合式，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然因素的不利影响，故又恢复到0.5kN/m2。

但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。

新修订的《钢结构设计规范》规定“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kN/m2”。

这与原规定有所不同，应注意檩条的计算。

对重屋面由于增加了以永久荷载为主的组合，不再提高屋面活荷载。

2.吊车的卡轨力原规范参考苏联规范，对重级工作制吊车梁，将荷载规范规定的横向水平荷载乘以增大系数以考虑由吊车摆动引起的横向水平力（即卡轨力，荷载规范只规定了小车的制动力），现改为按下式计算：H K = αP kmax 式中，P kmax 为吊车轮压标准值；系数α＝0.1（一般软钩吊车），0.15(抓斗、磁盘吊车)和0.2（硬钩吊车）。

卡轨力不与横向水平力同时考虑，此外，与吊车工作制及连接无关。

根据《起重机设计规范》（GB3811-83），按
吊车利用等级（即循环次数，分为U
0-U
9
等10级）和
载荷状态（载荷谱系数K
p
有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1~A8级。

本规范一般所指轻级工作制即A1~A3级；中级为A4~A5级；重级为A6~A8级（其中A8为特重级）。

但对吊车工作制的界定不能死搬硬套吊车工作制与吊车工作级别的一般对应关系，而应根据吊车的具体操作情况确定。

3.框架结构的内力分析新增有关内力分析的设计原则。

一阶弹性分析（几何线形）：按结构变位前的轴线建立结构变形与荷载之间的平衡关系；二阶弹性分析（几何非线形）：按结构变位后的轴线建立结构变形与荷载之间的平衡关系。

l
H M ⋅=∆
+=P Hl M
规范规定“对>0.1的框架结构（一般指无支撑纯框架结构），宜采用二阶弹性分析”。

此处∑N 为所计算楼层各柱轴压力之和；∑H 为所计算楼层及以上各层水平力之和；h 为所计算楼层的高度；∆u 为所计算楼层按一阶分析的层间侧移。

判断式中可用层间侧移容许值代替。

h
H u N ⋅∑∆⋅∑h u ∆
（1）采用二阶分析时，应在每层柱顶附加考虑假想水平力（概念荷载）H ni ：
式中，Q i 为第i 楼层的总重力荷载
设计值；n s 为框架总层数；αy 为钢材
强度影响系数；
Q235钢,αy =1.0；Q345钢,αy =1.1；
Q390钢,αy =1.2；Q420钢,αy =1.25。

等式右端的根号为折减系数，考虑当
柱子较多时初始侧移有正有负，缺陷
相互抵消。

s
i
y ni n Q H 12.0250+=α
（2）规范提出了采用二阶弹性分析时杆端弯矩的近似计算方法：
M 2＝M 1b +α2i M 1s ；
式中M 1b 、M 1s ──分别为框架无侧移或有侧移时按
一阶弹性分析求得的杆端弯矩；
α2i ──考虑二阶效应第i 层杆件的侧移
弯矩增大系数。

h
H u N a i ⋅∑∆⋅∑-=112
ΔΔ1M 1H H 2H 31Q =Q 2Q 3
1b M 1H H 21
Q H 3Q 2
Q 31H"1H"
+H"2
H"2H"H"3
3U 1U 2Δ3U M 1s
框架结构的一阶弹性分析
3.3 设计指标1.钢材的强度设计值
（1）钢材抗拉、压、弯时的强度设计值为f
y /γ
R。

γR 为抗力分项系数，新规范对Q235钢取γ
R
=1.087；
对Q345、Q390和Q420钢，γ
R
＝1.111。

这样对Q345
钢来说，比原规范的16Mn（γ
R
＝1.087）强度设计值有所降低。

原因：
①Q345钢包括旧标准的5种钢材，统计资料不足；
②近年来发现16Mn钢质量不理想，稍厚（当t >20mm）就容易分层。

（2）钢材的强度设计值与厚度有关，钢材越薄，辊轧的次数越多，强度越高。

新规范将钢材厚度增加到100mm （原规范3号钢≤50mm ，16Mn 和15MnV 钢≤36mm ），这是因为厚板的应用越来越广。

其实，厚板的统计资料尚不够充分。

（3）钢材的抗剪强度设计值
按能量强度理论，取：
f
f f v 58.03/==
（4）端面承压强度设计值
由于端面承压强度是验算构件极小区域的压应力，其强度设计值允许超过材料的屈服点而接近其最低极限强度，因此钢材的端面承压强度远远高于一般抗压强度，但此强度设计值只有在构件之间的接触面为刨平顶紧时才能达到。

因为现行国家标准规定的钢材的最低极限强度不随钢材厚度而变，所以端面承压强度设计值与厚度无关。

2.连接的强度设计值
连接的强度设计值主要根据过去采用容许应力法计算时的各种容许应力换算而得，其中角焊缝和承压型高强度螺栓有一定数量的试验数据，强度设计值是根据这些试验数据并参考国外规定确定的。

经可靠度分析，所有连接的可靠度均大致等于或略高于构件的可靠度。

焊缝的分级与检验
焊缝的强度与质量等级有关，质量等级的划分与焊缝质量检验有关，是根据《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205划分的，共分为一、二、三级。

三级焊缝——只作外观检查；
二级焊缝——除作外观检查外，加超声波探伤；
一级焊缝——除作外观检查外，加超声波探伤、X 射线或 射线。

角焊缝探伤不准，只能为三级。

（1）焊缝的强度设计值中，对接焊缝只有抗拉和抗压的取值，抗弯强度分别按抗弯中的受压部分取抗压强度设计值，受拉部分取抗拉强度设计值采用。

焊缝金属为焊条熔敷金属与钢材金属的混合体，其强度一般高于钢材的强度，但焊缝质量对强度有很大影响，规范规定：焊缝质量为一、二级时，对接焊缝的抗拉强度设计值与母材相等；焊缝的质量等级仅影响三级焊缝的抗拉强度，因此三级时取为母材抗拉强度的0.85倍。

对于质量等级为一、二级的对接焊缝，按照现行国家标准《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》GB11345-89的规定，仅适用于厚度不小于8mm的钢材。

根据钢结构施工单位的经验，亦认为厚度小于8mm的钢材，其对接焊缝用超声波检验的结果不大可靠，而应采用X射线探伤。

否则，对t 8mm钢材的对接焊缝，其强度设计值只能按三级焊缝采用。

（2）普通螺栓中的A级和B级螺栓的强度等级分为5.6级和8.8级两种，其抗拉和抗剪强度设计值是参照前苏联81规范取用的，可用于一个或多个螺栓。

C级螺栓的抗拉和抗剪强度设计值也是参照前苏联81规范取用的。

（3）高强度螺栓连接有承压型和摩擦型之分，由于采用的设计准则不同，其承载力计算亦不相同。

8.8级普通螺栓与8.8级承压型高强度螺栓的性能等级相同，其区别在于：
（1）承压型高强度螺栓要求施加预拉力；
（2）承压型高强度螺栓的孔径要求低于普通螺栓，因此，其抗剪强度低于普通螺栓，但抗拉强度相同（见材料表中的强度设计值）。

3. 强度设计值的折减系数
规范所规定的强度设计值是结构处于正常工作情况下求得的，对一些工作情况处于不利的结构构件或连接，其强度设计值有所降低。

所以补充规定，在某些特殊情况下钢材的强度设计值应乘以相应的折减系数。

例如单面连接的单角钢等。

3.5 结构或构件变形的规定
1.受弯构件的挠度
受弯构件的挠度容许值改为考虑两种情况：
［v
］——恒载＋活荷载作用下的挠度容许值，
T
主要是观感要求；
［v
］——活荷载作用下的挠度容许值，主要是
Q
使用要求。

（1）当有实践经验或有特殊要求时可作适当调整。

（2）注意变形叠加现象。

2.框架结构在风荷载作用下的水平位移
（1）新规范增加了对单层及多层框架柱柱顶位移的限制值，但经验积累不足，主要参考国外及相近规范。

注意纯框架结构水平侧移的计算应考虑二阶效应。

（2）控制厂房柱在吊车梁处的水平变形是为了保证桥式吊车的正常运行。

有些单位认为88规范的规定偏严，因研究工作量大，新规范仅缩小为验算范围至冶金厂房和类似车间中有A7、A8级吊车的跨间。

第4章受弯构件的计
算
y y εεσ≥,y y εεσ≥,4.1 梁的强度
规范规定梁的强度设计应考虑以下几项：1. 梁的抗弯强度计算
σ＝≤f ny y y nx x x W M W M γγ+
2. 抗剪强度
τ＝≤ f v 规范取
试验证明可达到（1.2~1.6）f ，有些国家规范取
至极限剪应力，如美国AISC 取f v = 0.667f 。

w It VS f
f f v 58.03/==f f f v 58.03/==
3.局部承压强度
固定集中荷载处无支承加劲肋或有移动集中荷载，应验算局部压应力。

规范假定集中荷载从作用点处以1:2.5和1:1扩散：
承压强度σc ＝≤f ，R y z h h a l 25++=z
w l t F ψ
4. 复杂应力作用下的强度：
适用范围：组合梁腹板的计算高度h 0处同时受有较大
或时，应验算折算应力。

计算公式：——h 0边缘同一点处应力，以拉为正，
压为负。

——计算折算应力的强度设
计值增大系数。

异号时，同号或，c σσ、τσ、f 12c 2c 23βτσσσσ≤+-+c στσ、、c σσ、c σσ、0=c σ2
.11=β1.11=βc στσ、、1β。