冷弯薄壁型钢技术规范和钢结构设计规范修订内容评

《钢结构设计规范》 （GB50017)和《冷弯薄壁型 钢结构技术规范》 （GB50018)修订内容评述
张耀春 哈尔滨工业大学
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 关于建筑结构用钢 关于基本设计原则 关于基本构件设计 关于连接、节点和构造 关于用钢量指标 应进一步研究的问题
1 关于建筑结构用钢
1−
B2 =
∑
1 ⎛ Pu ⎜ ⎜ ⎝
∆ oh ⎞ ⎟ ∑ HL ⎟ ⎠
或
B
2
= 1 −
∑ ∑
Байду номын сангаас
1
Pu Pe 2
称为层间侧移弯矩放大系数。
— 计算楼层所有柱的轴力之和； — 计算层的层间侧移； — 引起 的各楼层水平力之和； e2 L — 楼层高度； ∑ H — 计算楼层所有柱的侧移失稳临界力之和。 3）当采用二阶弹性分析计算的框架内力验算构件的承载力 时，计算长度系数均应取1。 其中
470 ～ 630 480 ～ 435 510 ～ 490 490 ～ 470 490 ～ 650 520 ～ 520 ～ 680 550 ～ 690 ～895
中国 美 国 欧洲 欧洲 中国 美 国 中国 美 国 美 国
（2） 关于钢材选用 1）强调了防止钢材脆性破坏问题； 2）补充和完善了需要验算疲劳的焊接结构的选用原则； 3）补充了受拉或受弯的焊接构件中，当板厚≥16㎜时， 钢材应具有常温冲击韧性的合格保证； 4）补充了厚度方向性能钢板的规定。 （3）调整Q345的抗力分项系数为1.11，使设计值降低了1.6% 左右。
式中： M1b — 假定框架无侧移时，按一阶弹性分析求得的 杆件端弯矩； M1s — 框架各节点侧移时，按一阶弹性分析求得的 杆件端弯矩； α 2i — 考虑二阶效应第 i 层杆件的侧移弯矩增大系数； ∑ N — 所计算楼层各柱轴压力设计值之和； ∑ H — 产生层间侧移Δu 的所计算楼层及以上各层水平力 之和，包括考虑缺陷的附加水平荷载在内； ∆ u — 按一阶弹性分析求得的所计算楼层的层间侧移； h — 所计算楼层的高度。
1.2 “薄钢”规范的主要变动
（1）将冷弯构件的最大壁厚由6㎜扩大到12.5㎜； （2）采用国家标准，统一了钢材名称：Q235、Q345,与欧、 美规范相比，钢种偏少，强度等级偏低。国外用于冷弯的 钢板屈服强度可达 550 N / mm2 ，具体见下页表：
欧洲薄钢规范建议的适用于冷弯的高强度钢
钢
种
（4）举例比较分析 以工作温度低于-20℃需验算疲劳的Q345级钢的焊接钢 构件为例： 中国： 不管板厚均选用 Q345D 美国： t≥44㎜轧制型钢 Q345B t≥50㎜焊接组合截面 Q345B 板厚小于上述值时, Q345A 欧洲： t≤6㎜ 时， Q345B 6㎜＜t≤16㎜ 时， Q345C 16㎜＜t≤38㎜ 时， Q345D 38㎜＜t≤59㎜ 时， Q345DD
平屋顶建筑的受力蒙皮作用
面层中的剪力场
边缘构件中 的翼缘力
压型钢板 山墙拉杆
山形门式建筑的受力蒙皮作用
3 关于基本构件设计
3.1 “普钢”规范的主要修订内容
（1）焊接组合钢梁腹板的局部稳定和屈曲后强度 1）承受静力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度
53 150 14 33 84 6 16 38 59
S1 非焊接或只承受压力的构件 S2 焊接或承受拉力的构件 ii 超过100㎜厚的轧制型钢，其V型缺口冲击功应满足下列要求： 厚度在150㎜之内时，在规定的试验温度下最小值为27J;板厚 在150㎜到250㎜之间时，最小值为23J。 ⅲ 对Fe510DD级钢,在-20℃时的最小冲击功为40J。列入此行的 钢材假定具有-30℃不小于27J的相当冲击功。
2）欧洲和美国规范的方法 欧洲规范5.2.6.2 款中有关侧移框架的弹性分析，与我国 规范相似，不同之处是在附加水平荷载中还考虑了同一层中 柱子数量的影响。 美国规范采用下式考虑二阶弹性分析：
M
式中
u
= B1 M
nt
+ B2M
lt
Mu — 考虑二阶效应的框架杆件弯矩； Mnt — 无侧移框架中杆件的一阶弯矩； Mlt — 侧移框架中杆件的一阶弯矩； B1 — 不考虑侧移时杆中弯矩增大系数；
u
∑P ∆oh ∑P
2.2 “薄钢”规范的补充
增列了受力蒙皮作用的有关条文。 受力蒙皮作用：因围护面层在自身平面内的抗剪能力而 加强了结构的整体工作性能的效应。 受力蒙皮作用的条件：围护面层、可靠的紧固连接件、 周边构件 受力蒙皮作用的机理如下面两页图所示。
面层中的剪力场
边缘构件中 的翼缘力
压型钢板
（2）关于纯框架的近似二阶弹性分析 1）“普钢”规范的方法 新规范采用附加水平荷载Hni的方法来考虑结构和构件 中的各种缺陷的影响，如下图：
Q3
Q3
Hn3 =φQ 3
Q2
Q2
Hn2 =φQ 2
Q1
φ
Q1
Hn1 =φQ 1
研究表明，框架层数越多，构件缺陷分布的随机性越大， 在同一个方向缺陷叠加的几率就越小，我国规范采用下式 计算附加水平荷载：
* 为抗腐蚀钢
低合金高强度结构钢 低合金 高强度结构钢 热轧非合金结构钢 热轧细晶粒结构钢 低合金高强度结构钢 钶-钒低合金 高强度结构钢 低合金高强度结构钢 钶-钒低合金 高强度结构钢 适于焊接的经调质处 理的高强度合金钢板
345 ～ 275 345 ～ 290 355 ～ 335 355 ～ 335 390 ～ 330 415 ～ 420 ～ 360 450 ～ 690 ～ 620
考虑梁上为对称横向荷载作用时， Μ b = − Μ a ， φ b = −φ a ， Μ Fb = −Μ Fa (*)式变为：Μ = Μ + 2 EI b φ ,该式称为梁线方程。 a Fa a
Lb 当 φ a = 0 时，Μ a = Μ Fa ,相当于嵌固情况； φ 当 Μ a = 0 时， a = −ΜFa /(2EIb / Lb ) ,相当于铰接情况。
（1）我国“普钢”规范 只在3.3.1和8.7.1款有原则的规定，可操作性不强。
另在3.3.3款中提出板厚≥16㎜的焊接钢构件，在受拉 或受弯时应满足常温冲击功要求。 （2）美国规范 在重型型材一节中，提出翼缘板厚≥44㎜的型材采用全 熔透焊缝连接成的构件；或由厚度≥50㎜板材采用全熔透焊 缝焊成的组合截面构件，其钢材应满足常温20℃(+70℉)冲 击功不小于27J(20ft·lbs)的要求。 （3）欧洲规范 承受静力荷载或疲劳荷载(非冲击荷载)的房屋结构的钢材 不需要进行抗脆断检查的最大厚度如下表所示：
碳素结构钢 碳素结构钢 碳素结构钢 碳素结构钢
250 235 ～ 215 290 275 ～ 255 275 ～ 255
400 ～ 550 360 ～ 340 414 ～ 586 430 ～ 410 390 ～ 370
美国 欧洲 美国 欧洲 欧洲
FeE275 细晶粒结构钢
Q345 A242*,A441 A588* Fe510 FeE355 Q390 A572 Grade 60 Q420 A572 Grade 65 A514
i 使用条件
250 250 90 250 250 40 106 250 250
110 250 26 63 150 12 29 73 128
250 250 63 150 250 29 73 177 250
75 212 19 45 127 9 21 52 85
187 250 45 123 250 21 52 150 250
2 关于基本设计原则
2.1 “普钢”规范的补充
（1）框架梁柱节点的刚接、铰接和半刚性连接 问题是如何判断三种连接形式？ 1）欧洲规范规定：
M
设计弯矩 M 柱
φ
Msd
梁
（正切刚度）
φ
计 算 模 型
弯矩转角特性曲线
当 S j = Μsd / φ ≤ 0.5EIb / Lb 时，为铰接； 当 S j = Μsd / φ ≥ 25EIb / Lb 时，为刚接； 当 0.5EIb / Lb < S j < 25EIb / Ib 时，为半刚接； 式中：S j = Μ sd / φ 为连接的转动刚度 Ib — 被连接梁的惯性矩 Lb — 被连接梁的长度 2）美国有关资料建议：采用梁线公式(Beam-Line equation) 区分节点的类型
q
Ma
φ a
b b
φ b
Mb
MFa
b b
MFb
梁端最终的弯矩和转角
两端嵌固的梁端弯矩
Lb Lb 2EIb 4EIb M b = M Fb + φa + φb Lb Lb 6EIb (φa − φb ) = 3(Μa − Μb ) − 3(Μ Fa − Μ Fb ) (*) 由以上两式可求出 Lb
假定端部有一定约束作用的梁在承受分布荷载作用下 最终的变形和端弯矩如上页图，则可写出梁的转角位移方 程如下： 4EIb 2EIb φa + φb M a = M Fa +
1.1 “普钢”规范的主要变动
（1）增加了Q420级钢，钢材的强度等级界于美国和欧 洲规范之间，如下表所示： 牌号 Q235 A36 Fe360 A529 Fe430 国内外主要建筑用钢对照表 Fu Fy 国别 材 质 （N/㎜2） （N/㎜2） 碳素结构钢 235 ～ 185 375 ～ 460 中国
3 H"
Δ3 U Δ2 U +
2 H"
Q2
H2
Q1
H1
=
H2
U Δ1
1 H"
M1
M1b
M1s
无支撑纯框架的一阶弹性分析
上图为一阶弹性分析，框架杆件端弯矩M1为：
M
1
= M
1b
+ M
1s
当采用二阶近似弹性分析时，框架杆件端弯矩M2为： M 2 = M 1b + α 2 i M 1 s （3.2.8-2） 1 α 2i = （3.2.8-3） N ⋅∆u ∑ 1− ∑ H ⋅h
H ni =
α y Qi
250
0 .2 +
1 = φ ⋅ Qi ns
（3.2.8-1）
式中
1 φ= 0 .2 + 250 ns
αy
Qi — 第i 楼层的总重力荷载； ns — 框架总层数； αy — 钢材强度影响系数，钢材强度 等级越高，αy 越大。 在考虑二阶弹性分析时，采用了近似的方法— 层间放 大法。假定某层的受力特性与其它各层无关；由P –Δ效应 引起的柱内附加弯矩，等效于侧向力 ∑ p∆ / h 引起的效应。
prEN1049: Part 2
等 级 S315MC S355MC S420MC S460MC S500MC S550MC
fyb (N/㎜2) fu (N/㎜2) 315 390 355 430 420 480 460 520 500 550 550 600
1.3 国内外规范有关钢材板厚方面的规定比较（板 厚对抗脆断设计影响较大）
不需验算脆断的最大板厚 (㎜） 使用条件ⅰ 钢材 等级和质量
0℃ S1 150 S2 41 S1
-10℃ S2 30 S1 74
-20℃ S2 22
EN10025ⅱ:Fe360B
108
Fe 360 C Fe 360 D Fe 430 B Fe 430 C Fe 430 D Fe 510 B Fe 510 C Fe 510 D Fe 510 DDⅲ
1 Δ
1 Δ-Δ
P ∑H
ΔP
∑H
∑PΔ/h
+
=
层的侧移刚度可定义为：
水平力 ∑H = sF = ＝ ∆1 侧向位移
∑ P∆ / h
∆ − ∆1
⎞ ⎟∆ 1 Hh ⎟ ⎠
由上式可解得：
⎛ ∆＝⎜ ⎜1− ⎝
∑
1 P∆1 /
∑
上式表明，某层的最终侧移Δ可由一阶侧移Δ1 乘以一 个放大系数求得。由假定可知，该楼层的侧移弯矩与该层侧 向挠度成正比，即
⎛ ⎞ 1 ' ⎟ M 1s = α 2 M 1s M =⎜ ⎜ 1 − ∑ P ∆ / ∑ Hh ⎟ 1 ⎝ ⎠
上式中
' α 2 — P -Δ弯矩放大系数
M1s — 由该层侧移引起的最大一阶弯矩 对于多层纯框架，可采用层间放大法进行二阶近似弹 性分析如下：
Q3
H3
H3
Q3 H" 3 Q2 H" 2 Q1 H1 H" 1
Ma
一类连接 qL3b 受均布荷载的完全嵌固梁 MFa= - 12 三类连接 二类连接
MFa
M
1
M3 M2
φa= -MFa 2EIb b /L
φb
受均布荷载的简支梁φa=
qL3b 24EI b
弯矩转角曲线的三种类型
当 Μ1 / ΜFa ≥ 90% 时，为刚接； 当 Μ2 / ΜFa ≤ 20% 时，为铰接； 当 20%＜ Μ3 / ΜFa ＜ 90% 时，为半刚接。 但美国规范尚没列入此建议。 3）我国尚无具体规定。