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1、对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善标准与规范对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善陈炯(32海宝钢工程技术有限公司上海20190O)摘要在文献1的基本思路和初步结果的基础上,对钢结构中按弹性准则设计的截面,根据腹板屈曲与否对其进行分级;改进,完善和细化了框架截面等级与地震作用取值的对应关系,使之更趋合理;给出了各等级截面的框架以众值烈度地震作用效应表达的地震组合设计式,使实际应用更为方便.关键词抗震钢框架截面等级板件宽厚比地震作用设计取值COMPLEMENTToLIMITINGWIDTHTHICKNESSRATIOSoFEARTHQUAKER
2、ESISTANTSTEELFRAMESANDCoRRESPoNDINGDESIGNSEISMICACTIoNSChenJiong(ShanghaiBaosteelEngineering&TechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201900)ABSTRACTBasedonthebasicphilosophyandprimaryresultsfromstandardsandcodes,thesectionforelasticdesignisclassifiedaccordingtowhetherthewebplatebucklesornot.Thec0rrespondence
3、ofthesectionalclassandseismicactionisrevisedandcomplementedtomakeitmoreappropriate.Seismicactionombinationsaccordingtoframeswithdifferentwidth-thicknessratiosareexpressedusingtheminorearthquakeaction,asmakesthemmoreconyenientforpracticalengineeringapplication.KEYWORDSearthquake-resistantstee1framese
4、ctionalclasswidth-thicknessratioseismicactiondesignedseismicaction0引言现代结构抗震设计,广泛流行依靠非弹性作用耗散地震输入能量的理念口.由于材料延性不能单独用来估计结构耗散地震输入能量的能力,因此,构件延性取决于截面延性和材料延性.地震作用延性折减系数,则主要取决于结构类型,截面和构件的局部延性.鉴于以截面层次考虑延性可正确地预估延性损失,设计规范通常按照截面延性作出规定.欧洲规范EC3_3正是基于截面的特征(板件宽厚比,应力分布)和静力性能将截面划分为4个性能等级的.显然,钢构件的截面性能等级(以板件宽厚比表示)是反映钢结构
5、延性性能的关键要素之一,国际主流抗震规范大都采用截面性能等级与设计地震作用挂钩的方式.文献1在与BCJc,EC8比较的基础上,初步提出了截面等级所对应的地震作用取值.但文献1对弹性设计截面的情况未作清晰陈述,与截面等级对应的地震作用取值偏保守,对设计应用的表述过于曲折.因此,本文在文献I基本思路的基础上,补充整理相关资料,试图细化,完善和改进文献1在上述三方面的内容.1弹性设计截面的性能等级根据钢结构设计规范(GB500172003)6(简称GB50017规范),执行弹性准则设计的截面(本文只阐述H形截面)的板件宽厚比如下.1)受弯构件:翼缘bit15/235/厂(1a)腹板h0/t250(1
6、b)GB50017规范要求,对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的梁宜考虑腹板屈曲后承载力,对于吊车梁等直接承受动力荷载的构件采用局部稳定验算,并应按规定设置加劲肋.GB50017规范对直接承受动力荷载的规定主要是针对简支梁的.门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS102:2002)7(以下简称规程),考虑到轻型门式作者:陈炯男1962年11月出生高级工程师Email:jiongehenbaostee1.corn收稿日期:2008082O44钢结构2008年第12期第23卷总第114期陈炯:对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善刚架这类特定的建筑,刚架柱所受的轴向压力较
7、小而主要由弯矩控制截面受力的特征,梁柱皆取用受弯构件的板件宽厚比限值,即式(1)的规定.2)压弯构件:翼缘b/t15/235/(2a)腹板当0.1.6时,o/(16a.+0.5+25)/235/(2b)当1.6口02.0时,h0/t(48a.+0.5一26.2)4235/fy(2c)o一(1一i/a)(2d)式中:%为腹板计算高度边缘的最大压应力;Omi为腹板计算高度另一边缘相应的应力,按压正拉负取值.为柱弯曲平面内的长细比,<30时取30,>100时取100.当压弯构件腹板./不符合式(2b),式(2c)的要求时,需设置纵向加劲肋加强,或考虑腹板屈曲后承载力.GB50017规范规
8、定,当翼缘b/t13?时,可取截面塑性发展深度系数y>1,即可考虑截面进入部分塑性进行设计.这是我国特有的做法.为简化,本文把这种情况也并人弹性设计截面的范畴讨论.当梁翼缘外伸部分的板件宽厚比b/t=:15?万(完善板b/t一17)时,其边缘纤维的最大应力可达钢材的屈服强度.这是按弹性准则设计时保证受压翼缘局部稳定所必须满足的限值条件.我国习惯上不容许受压翼缘进入局部屈曲,而有的国外规范的翼缘板件宽厚比限值则较大.对于腹板,GB50017规范中按弹性准则设计的截面,涵盖了腹板不屈曲的情况和利用腹板屈曲后强度的情况.由于这两种情况的截面延性性能差异较大,所以需区分对待.利用屈曲后承载力的截
9、面,即所谓的超屈曲设计截面.以板件情况分,这类截面通常称为薄柔截面.对于截面最大应力达屈服点时,腹板不发生局部屈曲的截面,本文称为弹性设计(腹板不屈曲)截面,也就是通常所说的半厚实截面.1.1弹性设计(腹板不屈曲)截面1.1.1板件宽厚比限值根据GB50017规范,双轴对称H形截面的受弯腹板,当受压翼缘扭转未受约束时h./t130?/235/,或受压翼缘扭转受约束时h./t150?/235/,腹板边缘应力达屈服强度前不发生屈曲.如果不考虑板件残余应力和几何缺陷,则受压翼缘扭转未受约束时h./t153/235/,v,受压翼缘扭转受约束时h./t177,/235/,腹板边缘应力达屈服强度前不屈曲.
10、刚接框架梁端剪力最大,弯矩亦很大,因此不再适宜考虑翼缘对腹板的约束作用.当不设横向加劲肋时,腹板宽厚比./68/235/,v为塑性受剪屈曲范围.对于理想弹塑性板,则塑性和弹性受剪屈曲的界限值为h./t85/235/.厂v.设置横向加劲肋可有效地防止受剪屈曲.就H形截面梁,考虑到发生弯扭屈曲可导致其延性急剧降低的特征,本文取板件宽厚比满足b/t5235/f焉72235ff<二ho/t,130235ff的截面,为弹性设计(腹板不屈曲)截面,以E1表示其性能等级.当然,如上下翼缘皆有可靠约束防止扭转,则E1级截面的h./t上限值可取为150?.对于H形截面框架柱,E1级截面至少需满足式(2)的
11、要求.1.1.2延性性能E1级截面的板件宽厚比与EC3的3级截面基本相当,也与AIJLSDIs的S一结构采用的P一级板件相近.AIJLSD指出,S一结构(板件P一,L一,C.L一由梁的长细比决定,C一由柱的轴压比和长细比确定)不适宜采用塑性分析,不期待构件的塑性变形能力,但结构仍然可能具有与弹性变形同等的塑性变形能力.在结构极限承载力验算时,AULSD取s一结构及其构件的塑性变形能力都为1.01.2.根据文献9,宽翼缘截面(与E1级截面大致相当)的塑性变形能力大约是屈服点变形能力的1.15倍.宽肢薄腹H形截面钢柱的试验1表明,延性指标/一1(为试件开始屈服的位移;6m为对应极限承载力的位移)普
12、遍可达1以上.薄柔高频焊接H钢柱试验表明1,延性指标(/.一1)仅略大于l而不足2.经比较,这些试验钢柱的截面可归属E1级.综合这些构件延性试验结果,如果取/一1=11.2,则可估算由延性因素所致的地震作用折减系数C=0.450.50(等位移原则).这与AIJLSD赋予S一结构的结构特征系数D.一0.45t0.5相当.理论上,可以采用上述延性折减系数折减基本Stee1Construction.2008(12),Vo1.23,No.11445标准与规范设防烈度的弹性谱为采用E1级截面的结构的设计谱.但考虑到我国钢结构抗震经验不多,所以采用与国外规范对比得到对应地震作用的方式.1.2超屈曲设计截面
13、1.2.1板件宽厚比限值H形受弯构件的截面板件宽厚比为b/t15?/235/,130/235/<ho/t250时,弹性设计时需考虑腹板的屈曲后强度(如上下翼缘皆有可靠约束防止扭转,h./t的下限值可取为150?丽).对于压型钢板围护的轻型门式刚架,由于刚架柱受力也主要取决于弯矩,所以可取用上述受弯构件的截面板件宽厚比限值.这类所谓的超屈曲设计截面,以E2表示其性能等级.1.2.2延性性能E2级截面与EC3的4级截面相当.根据文献-12报道的标准梁构件试验结果,4级截面梁的延性很低.如果翼缘采用1级截面的b/t限值,而腹板采用4级截面的h./t限值,其延性也很低.双拼形冷弯薄壁型钢梁(属4
14、级截面)也有少量延性.所以,在一定条件下,4级截面可用于抗震钢结构的耗能区,欧洲现行规范并不禁止使用,如EC8取g1.5的DCL结构.显然,由于E2级截面的抗震性能差,仅适用于轻型门式刚架和一,二层的低层轻型钢结构住宅别墅建筑.2截面等级与地震作用设计取值的对应关系2.1各规范间截面等级相应的板件宽厚比限值比较为便于比较,摘录BCJ和AIJLSD的截面等级及板件宽厚比限值,结构特性系数D.,EC3/EC8的截面等级及主要的板件宽厚比限值,性能因子q列于表1.由于各国制定规范的具体做法不尽相同,其截面等级的分类限界也有所不同.由表1可见,BCJ和EC3各截面等级的板件宽厚比限值表达方式不同,且限
15、值有一定差异.相对于EC3,BCJ对腹板的h./t限值控制很紧,对翼缘b/t限值则放得较宽.显然,两者考虑问题的着重点不同.BCJ与EC3对梁腹板h./t限值的规定相差较大.就BCJ的FA,FB,FC级截面,其h./限值,总体上接近框架梁端塑性和弹塑性受剪屈曲的界限值(h./t68/235/.厂v).EC3的1级截面,h./t的上限值与BCJ的FC级截面的相同,也与GB50017规范塑性设计截面的相同;EC3的2级截面(厚实截面),其h./t上限值,则接近不考虑板件几何,力学缺陷的塑性和弹性受剪屈曲的界限值h./t85?/235/,v.EC3的3级截面(半厚实截面),h./t的上限值为124/
16、235/.厂v,与GB50017规范受压翼缘扭转未受约束情况的上限值h./t130?/235/.厂v较接近.AULsD的PIII板件,h./t的上限值为178/235/,即取理想弹塑性板受压翼缘扭转受约束时的上限值.由此看来,EC3,BCJ/AIJLSD对于受弯腹板的限值的区别,很大程度上在于是否考虑板件缺陷和受压翼缘是否考虑约束方面.对于柱腹板的h./t限值,EC3与应力分布挂钩,而BCJ则为定值.由于两者的表达方式不同,使其限值大小相互交错.建筑抗震设计规范(GB500112002)(简称GB50011规范)也以定值表示板件宽厚比限值,而GB50017规范对压弯构件的板件宽厚比限值,则与应
17、力分布,构件长细比联系在一起,这导致在有些情况下,GB50011规范对单层厂房柱的腹板h./t限值要比GB50017规范静力设计的大.因此,对GB50017规范,GB50011规范,BCJ,EC3的板件宽厚比限值出现相互交错情况,无可厚非.日本是大地震多发岛国,表1中BCJ的截面等级对应的板件宽厚比限值是阪神地震后修订的.欧洲少见有大地震发生,欧洲的钢结构抗震文献123也提及日本工程一直是抗震工程的衡量标准.所以,建议的P级(塑性设计截面),EP级截面的板件宽厚比限值,结合GB50011规范的规定,采用与BCJ的规定靠近的方式,而以EC3的作为参考校正.特别是梁腹板的宽厚比限值,BCJ与EC3
18、的差距较大,GB50011规范的则介于其间.显然,梁腹板宽厚比对截面延性有较大影响.采用1级截面的翼缘,4级截面的腹板的标准梁试验表明,其延性性能仍然是4级的口引.从工程实用角度看,腹板宽厚比不满足限值要求时,可在潜在塑性铰区域设置腹板纵向加劲肋解决.只是如在梁端最大受力区设置腹板纵向加劲肋时,梁柱刚性连接需加强.所以,建议的截面等级附注腹板设置纵向加劲肋达到表中同等性能时,可不执行表中宽厚比限值.腹板是否容许设置加劲肋,对一般民用框架耗钢量的影响46钢结构2008年第12期第23卷总第114期陈炯:对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善不明显,但对工业建构筑物,有时影
19、响很大.以下以H形截面为例,概述建议的截面等级情况.P级截面,对应GB50011规范9度区超过12层的板件宽厚比限值,与BCJ的FA级基本一致.翼缘b/t限值与EC3的1级截面基本一致,腹板h./t的限值则比1级截面的稍小.所以,P级截面可适用于各类建筑钢结构.表1截面等级及其板件宽厚比限值对照来源截面等级H形截面柱粱ho|bitho|结构特性性能均匀受压受弯均匀受压系数因子翼缘腹板腹板Dqbhho|ho|t压弯腹板n本文建议PEPEP1EP2EE1E2BcJFAFBFCFDAUP_ILSDPUPIII(SI)Ec31级2级EC83缀11<b/t2443965451O7048l17Z符合
20、式(2)1572<h0/f130(150)>式(2)15>130(150)439600.2545l1650.3O一0.404815.5710.35一O.45上列限值以外0.4OO.50略喀71<h0/ll<b/t71<ho/0.45f10224tw1780.502<q4lO83381?5<g141242.口>0.5:396/(13口一1)口0.5:36/a>O.5:56/(13a一1)4o.5:41.5/口一1:42/(0.57+0.33一1:62(1一(一4级q<1.5>14>124>42上列限值以外注:1)
21、表列数值中规范适用于屈服点为235MPa钢材.当材料为其他钢号时,应乘以./7.2)b和o的计算基点稍有区别,但其影响可略去不计.EP1级截面,对应GB50011规范9度区不超过12层的板件宽厚比限值,并与8度超过12层的板件宽厚比限值接近;比BCJ的FB级的翼缘bit限值控制稍严格一些,./限值则要略松一些.相对于EC3的2级截面,梁翼缘bit限值相当,而腹板h./t的限值则控制得更严格一些.EP2级截面,比7度不超过12层的板件宽厚比限值控制稍严格,但比超过12层的,则要宽一些.EP2级截面相较于BCJ的FC级截面,腹板./限值一致,但翼缘b/t限值则略小.相对于EC3,梁受压翼缘的bit
22、限值比2级截面的略大,但腹板/的限值则比2级截面小.即EP2级截面的抗震性能要优于BCJ的FC级,与EC3的2级截面相当.对于弹性设计截面,GB50011规范未提及是否可用于抗震钢结构.E1级截面翼缘的bit限值,略小于BCJ的FC级截面的,但腹板h./t限值则超出了FC截面的范围.El级截面,与EC3的3级截面的要求基本相当.从截面性能上分析,E1级截面要优于AIJLSD的PL级截面,但稍逊于EC3的3级截面.BCJ对FD截面的具体板件宽厚比限值未明确陈述,所以具体对比较困难.E2级截面,与BCJ的可比性较差,但与EC3的4级截面则十分接近.上述的截面对比中不难看出,由于各国地震环境,工程实
23、践,震害经历,试验研究思路等方面的不同,各国规范本身在截面的等级划分上存在一定的差异.在对应关系上,建议的翼缘和腹板宽厚比限值与BCJ以及EC3等规范的对照很难做到完全的SteelConstruction.2008(12),Vo1.23,No.11447一.u标准与规范一一对应,存在一些界限上的跨界,但已足可把握定性的趋向和定值的范围.另外,就这种对应方式本身也存在不同的做法,对建议的截面等级对应的板件宽厚比限值也可有一定的调整范围.应当认识到,结构抗震的很多内容是不确定的.目前流行的基于延性考虑而容许框架进入延性状态的结构抗震设计方法,可以理解为是利用结构中产生的不确定的延性变形来抵抗特征和
24、规模均不确定的地震作用,以达到抗震的目的l1.所以,截面等级的板件宽厚比限值有些偏差是可以接受的.2.2建议的截面等级对应的地震作用根据文献14,BCJ取结构特性系数D一0.25,EC8取性能因子q一4时的地震作用,相当于GB50011规范众值烈度下的地震作用F.由此可参照BCJ对各截面等级的D值和EC8对各截面等级的q值,确定建议截面所对应的设计地震作用取值,如图1.4.02.72.01.O0容许截面图1建议的截面等级与地震作用的对应关系鉴于BCJ的D取值在某一范围内,随支撑等级(支撑长细比表示)和支撑系统承受的地震作用大小,D值相应增减.而GB50011规范的地震作用取值,与支撑系统无关.
25、EC8的性能因子q取值,相对于EC3定义的截面等级也是一范围.但对于纯框架,截面等级与地震作用取值则有较好的对应关系.P级截面,对应BCJ的FA级和EC3的1级截面,可取用F的地震组合设计.E1级截面,对应AIJLSD的P一截面(S一111结构)和EC3的3级截面,需取2F的地震组合设计.E2级截面,只有EC3的4级截面可比较,至少需要取2.7F的地震组合进行抗震设计.EP1级截面的性能稍高于BCJ的FB截面,FB截面纯框架D.:0.3,即EP1级截面取1.2偏向安全一方.由于EP2截面的性能稍优于BCJ的FC截面,偏向安全地取1.4F进行抗震组合.对于支撑框架,由于GB50011规范没有考虑
26、支撑受力大小对地震作用取值的影响,即与BCJ不便于一一对应.建议弱支撑框架按BCJ支撑框架的中间值取用,强支撑框架则取较高值.如采用EP1级截面的弱支撑框架,取1.4F,强支撑框架,取1-6F;采用EP2级截面的弱支撑框架,取1.6FE,强支撑框架,取1.8F.3设计应用方法及适用范围3.1应用截面等级抗震组合系数进行抗震验算根据前述的地震作用和截面等级对应的关系,框架抗震验算时的地震作用效应组合式与众值烈度下的地震作用效应(弹性)组合的方式一致,只是地震作用效应项添加一系数.为应用方便,这里以两种形式表达.fS一yGSGE+REhSEhkSGE+.Ehk,sR或者采用与GB50011规范一致
27、的表达式:fS一)GSGE+.SBlkyGSGE+EhSEhk,1SR/式中:Se或s皿分别为相应表达式的荷载和地震作用效应组合的设计值;S.为重力荷载代表值的效应;S为水平地震作用标准值的效应;yEh为水平地震作用分项系数;),为承载力抗震调整系数,对于钢结构柱,梁,y一0.75;R为结构构件承载力设计值;n为钢结构截面等级地震组合系数,是设定截面等级所要求取用的地震作用与小震作用F的比值.纯框架的n可按表2取值.表2地震作用组合系数n及纯框架相应的截面分级截面等级地震作用组合系数n容许截面等级n一1.0Pn1.2P,EP1n1.4P,EP1,EP2n2.0P,EP1,EP2,E1n2.7P
28、,EP1,EP2,E1,E2注:E2级截面仅适用于高度不大于18m的低矮轻型建筑.由表2,按选定的截面等级,采用相应的截面等级地震作用组合系数,即可采用GB50011规范的方式,进行钢结构抗震验算.3.2由地震作用效应组合分级选择截面等级设防烈度高的地区,质量大的建筑,由于采用板件大宽厚比的截面,设计需取用的地震作用也大,其48钢结构2008年第12期第23卷总第114期陈炯:对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善耗钢量有时反而比采用板件小宽厚比截面的耗钢量要更大.从结构性能角度看,在同等耗钢量情况下,采用板件小宽厚比截面的安全性更高,抵抗爆炸,撞击等偶然荷载的能力更强
29、.因此,不是采用截面板件大宽厚比就好,而是在保证结构抗震性能的条件下要求经济效益好.所以,需在给定条件下进行结构截面选择.例如,低设防烈度区,特别是沿海地区,抗风设计已使结构拥有一定的抗地震侧力能力.刚度要求,构造设计(如单层厂房上柱截面有时由人孔宽度要求确定)等都可导致结构有较大的承载力超强.采用板件较大宽厚比截面的结构,正是为了利用结构静力设计所赋予的抗地震侧力能力和承载力超强,以达到保证安全并降低耗钢量的目的.设计选择截面等级(板件宽厚比),也可参照下列地震作用效应组合分级控制框架梁柱受力状态的方式进行.1)当框架受力由地震组合SS.+1.2SEhk(即S:yGESGE+0.9yEhSE
30、hk)控制时,框架梁柱截面应选用P级.2)按SSGE+1.2SEhk(SyGESGE+0.9yESEh)的地震组合,框架受力由非地震组合控制;但当按SSGE+1.4SEhk(即S:yGESGE+1.057EhS髓k)进行组合,框架受力由地震组合控制时,框架梁柱可选用P级,也可选用EP1级.3)按SSGE+1.4S的地震组合,框架的受力由非地震组合控制;但当按SS.+2.0Sn(即SyGES.+1.57zhSEhk)进行组合,框架受力由地震组合控制时,则框架梁柱截面可选用.P级,EP1级,也可选用EP2级.4)当按SS.+2.0S卧组合,框架的受力由非地震组合控制时,框架构件的板件宽厚比可选用P
31、级,EP1级,EP2级,也可选用E1级.3.3适用范围除E2级截面仅适用于高度不大于18m的低矮轻型建筑外,上述截面等级与地震作用的对应关系的适用范围,就是底部剪力法的适用范围.即:对于单质点体系,高度不超过60m;多质点体系,高度不超过40m.采用E1级截面,对压形钢板等轻型围护的工业厂房可取得很好的经济效益,但对采用质量大的围护情况,并不尽然.4结语本文在详细阐述弹性设计截面的抗震性能基础上,对按弹性准则设计时,是否需考虑腹板屈曲来划分截面等级进行分析.进一步讨论文献1抗震钢框架的截面等级和地震作用取值的对应关系,并对其细化,改进和完善.明确弹性设计截面可应用于抗震钢结构,但取用的设计地震
32、作用则需比GB50011规范众值烈度下的要大得多.同时,采用众值烈度地震作用效应和截面等级地震组合系数的方式,给出框架结构的地震组合式,设计应用很方便.参考文献1陈炯,路志浩.论地震作用和钢框架板件宽厚比的对应关系(下).钢结构,2008,23(8):51582MamaghaniIrajHP,UsamiT,MizunoE.InelasticLargeDeflectionAnalysisofStructuralSteelMembersUnderCyclicLoading.EngineeringStructures,1996(8):6596683prEN199311:2003Eurocode3:D
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