《钢结构设计规范》讲座.ppt

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1、钢结构设计规范GB50017-2003应用讲座清华大学 石永久,(1)GBJ17-88 从1997年起开始修订，2001年12月完成报批稿，这两年其它规范陆续推出，不断修改协调。(2)吸收了国内外近十年的钢结构研究和工程应用成果，借鉴了欧洲、美国、英国、澳大利亚等国新规范的经验。(3)条文增改部分超过2/3。(4)明确了强制性条文，必须执行。(5)既考虑了原则性、也考虑了可操作性。,背 景,讲解内容(1)新增条文较详细讲解(2)修改条文指明修改之处(3)强制条文重申重要性(4)未改条文简要概述规范比,第1章 总 则,条 基本原则，未变1.0.2条 增加对冷弯成型的构件及其连接要符合冷弯薄壁型钢

2、结构技术规范1.0.3条 增加提到相关规范名称，如荷载取值必须符合建筑结构荷载规范要求、地震区的建筑物和构筑物符合建筑抗震设计规范、构筑物抗震设计规范、中国地震动参数区划图要求。,条 设计原则，未变1.0.5条（强制条文）在钢结构设计文件中，应注明建筑结构的设计使用年限、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、化学成分及其他的附加保证项目。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要求。条 特殊设计要求，未变,第2章 术语和符号,材料并入第3章。第2章主要列出建筑结构设计术语和符号标准（GB/T50083-97）中没有的术语（如腹板“通用高厚比

3、”等），但符号列出较全。,第3章 基本设计规定,3.1 设计原则条 设计基础，未变3.1.2条（强制条文）承重结构应按下列承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计：(1)承载能力极限状态包括：构件和连接的强度破坏、疲劳破坏和因过度变形而不适于继续承载，结构和构件丧失稳定，结构转变为机构和结构倾覆。(2)正常使用极限状态包括：影响结构、构件和非结构构件正常使用或外观的变形，影响正常使用的振动，影响正常使用或耐久性能的局部损坏（包括混凝土裂缝）。,3.1.3条（强制条文）设计钢结构时，应根据结构破坏可能产生的后果，采用不同的安全等级。一般工业与民用建筑钢结构的安全等级可取为二级，其他特殊建筑钢结

4、构的安全等级可根据具体情况另行确定。,3.1.4条（强制条文）按承载能力极限状态设计钢结构时，应考虑荷载效应的基本组合，必要时尚应考虑荷载效应的偶然组合。按正常使用极限状态设计钢结构时，考虑荷载效应的标准组合，对钢与混凝土组合梁，尚应考虑永久组合。,3.1.5条（强制条文）计算结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时，应采用荷载设计值(荷载标准值乘以荷载分项系数)；计算疲劳时，应采用荷载标准值。,3.1.6条 计算结构或构件强度和稳定时，动力荷载设计值乘以动力系数；计算疲劳和变形时，动力荷载标准值不乘以动力系数。局部修改“计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳和挠度时，吊车荷载应按作用在跨间内

5、荷载效应最大的一台吊车确定。”3.1.7条，3.1.8条，3.1.9条移到3.2节,3.2 荷载和荷载效应计算新增本节 3.2.1条（强制条文）设计钢结构时，荷载的标准值、荷载分项系数、荷载组合值系数、动力荷载的动力系数等，应按现行国家标准建筑结构荷载规范GB50009的规定采用。不能用国外规范,结构的重要性系数0应按现行建筑结构可靠度设计统一标准的规定采用。GB50068的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0值”。本规范根据工作寿命50年时01.0，工作寿命5年时00.9，规定工作寿命25年取00.95。,修订后的荷载规范将屋面均布活荷载标准值统一

6、规定为0.5kN/m2（原规定分0.3、0.5、0.7kN/m2三级），但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。所以本规范在本条注明了“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”；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。,条 原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吊车的摇摆力。现改为按下式计算：HK=Pkmax式中Pkmax为吊车最大轮压标准值；系数0.1（一般软钩吊车），0.15(抓斗或磁盘吊车)和0.2（硬钩吊车）。根据起重机设计规范（GB3811-83），按吊车利用

7、等级（即循环次数，分为U0-U9等10级）和载荷状态（载荷谱系数Kp有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1A8级。本规范所指轻级工作制即A1A3级；中级为A4A5级；重级为A6A8级（其中A8为特重级）。,3.2.3条 计算屋盖桁架考虑悬挂吊车和电动葫芦时：在同一跨每条运行线路上的台数：梁式吊车2，电动葫芦1。3.2.4条(原3.1.9条)冶炼车间荷载折减系数，未变,3.2.5条 结构的计算模型和基本假定应尽量与构件连接的实际性能相符。3.2.6条 建筑结构的内力一般按结构静力学方法进行弹性分析，符合本规范第9章的超静定结构，可采用塑性分析。采用弹性分析的结构中，构件截面允许有塑

8、性变形发展。,3.2.7条 框架结构梁与柱刚性连接，梁柱交角不变，连接能承受最不利内力；梁与柱铰接，充分的转动能力，传递剪力和轴力；梁与柱半刚性连接，具有有限转动刚度，交角变化，确定弯矩转角曲线，考虑连接变形影响。,条 对 的框架结构（一般指无支撑纯框架）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，此处可用位移容许值u代替。a采用二阶分析时，应在每层柱顶附加考虑假想水平力Hni：,式中，Qi为第i楼层的总重力荷载设计值；ns为框架总层数，取y为钢材强度影响系数；Q235钢，y=1.0Q34

9、5钢，y=1.1Q390钢，y=1.2Q420钢，y=1.25,b.采用二阶分析时，框架柱的计算长度系数1.0。c.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：M2M1b+2i M1s式中M1b、M1s 分别为框架无侧移或有侧移时按一阶弹性分析求得的杆件端弯矩；2i 考虑二阶效应第i层杆件的侧移弯矩增大系数。如2i 1.33，宜增加框架刚度本条不适用于门式刚架和塑性设计刚架,3.3 材料选用（原规范第2章）,条（原条）增加使用钢材的牌号（原规范有3号钢、16Mn、15MnV）现为：Q235(相当于作废的旧标准的3号钢)Q345(相当于作废的旧标准的16Mn、12MnV、14MnNb、

10、16MnRE、18Nb)Q390(相当于作废的旧标准的15MnV、15MnTi、16MnNb)Q420(相当于作废的旧标准的15MnVN、14MnVTiRE)其中，15MnVN曾用于九江长江大桥（栓焊铁路桥）。,3.3.2条（原条）下列情况不应采用Q235钢(沸腾钢)焊接结构：(1)直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构；(2)工作温度低于T-20时：直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构；承受静力荷载的受弯和受拉重要承重结构；(3)工作温度T-30的所有承重结构；非焊接结构：工作温度T-20的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构；,3.3.3条（强制条文，原条）承重结构采用的

11、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合格保证材质单指标必须齐全,3.3.4条（原条）对于需要验算疲劳的焊接和非焊接结构钢材应提出冲击韧性合格保证。3.3.5条（原条）钢铸件，未变,条 增加Z向钢，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。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。条 增加耐候钢技术要求，对耐腐蚀有特殊要求，受腐蚀介质作用条（原条）增加栓钉材料要求,3.4 设

12、计指标,3.4.1条（强制条文）钢材强度设计值为fy/R。R为抗力分项系数，对Q235钢，R=1.087；对Q345、Q390和Q420钢，R1.111。这样对Q345钢来说，比原规范的16Mn（R1.087）强度设计值有所降低。原因为：Q345钢包括旧标准的5种钢材，统计资料不足；近年来发现16Mn钢质量不理想，稍厚（当t20 mm）就容易分层。指标对应计算点的钢材厚度,(1)钢板厚度增加到100mm（原规范3号钢50mm，16Mn和15MnV钢36mm），这是为了与轴压d曲线相呼应。其实，厚板的统计资料尚不够充分。板厚16mm时，厚度分组标准变化。(2)Q345钢相应的对接焊缝强度设计值降

13、低。(3)普通螺栓的A、B级，根据GB5782-86，其材料不是3号钢，分为5.6和8.8级，现改取ftb=210，400N/mm2,fvb=190，320N/mm2。(4)普通螺栓的C级，分为4.6和4.8级。(5)增加承压型连接高强度螺栓的抗拉强度。,A、B级螺栓都是以前的“精制螺栓”，质量标准要求相同。只是A级螺栓用于d24mm和L（螺栓公称长度）10d或L150mm（按较小值）；d或L较大者称为B级螺栓。铆钉连接在验收规范GB50205中已无条文，在设计中规范中是否保留，意见不一致，现予保留。,3.4.2条（强制条文）强度设计值折减系数：单面连接角钢施工条件差的高空焊接增加“无垫板的单

14、面施焊对接焊缝乘以系数0.85”。,3.5 结构或构件变形的规定,正文为原则规定，具体数值规定在附录A。条（新增条文）受弯构件的挠度容许值考虑两种情况：uT恒载活荷载作用下的挠度容许值，主要 是观感要求 uQ为活荷载作用下的挠度容许值，主要是 使用要求。,将吊车梁和吊车桁架挠度改为按一台起重量最大吊车加自重进行计算（相应挠度容许值有所调整）。理由：符合“正常使用极限状态”的要求；与多数国外规范相一致。3.5.2条（原条）不考虑截面削弱，未变,3.5.3条（新增条文）构件预先起拱值，一般取恒载标准值+1/2活载标准值产生的挠度值。,原3.3.23.3.5 条移至附录A,第4章 受弯构件的计算 4

15、.1 强度,4.1.1条 实腹受弯构件，抗弯强度计算gx=gy=1.0由“直接承受动力荷载”改为“需要计算疲劳的梁”4.1.2条 抗剪计算，未变,4.1.3条 在梁局部承压强度计算中，将集中力在腹板边缘的分布长度增加为（与梁与柱刚性连接节点一致）：式中，a为集中力支承长度；hy为梁外表面至腹板边缘距离；hR为轨道的高度。,4.1.4条 折算应力计算，未变,4.2 整体稳定,4.2.1条 保证整体稳定的措施，未变4.2.2条 平面内稳定计算，未变,4.2.3条 双向受弯梁稳定计算，未变4.2.4条 保证箱形截面受弯梁稳定性，未变,4.2.5条(新增条文)梁支座处构造措施防止梁端扭转 4.2.6条

16、 减小梁受压翼缘侧向计算长度的支撑，按梁受压翼缘为轴心压杆，根据翼缘轴力(如N=sAf)计算所需的支撑，而不再统一取,4.3 局部稳定,组合梁腹板局部稳定计算有较大变动，主要有：对原来按无限弹性计算的腹板各项临界应力作了弹塑性修正。原各种应力共同作用下的临界条件公式来源于完全弹性条件，新的公式（）等参考了澳大利亚规范等资料，适合于弹塑性修正后的临界应力。无局部压应力且承受静力荷载的焊接工字形载面梁，规定按新增加的4.4节利用屈曲后强度设计。,条（新增条文）主要增加内容：（1）受静力和间接动力的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度。（2）受直接动力的吊车梁等应配置加劲肋，且当 应计算腹板稳定性。（3）轻、

17、中级工作吊车梁计算腹板稳定性时，轮压设计值可乘折减系数0.9,条 主要修订内容：(1)取消“对无局部压应力的梁，时，可不计算”(2)增加“（受压翼缘扭转未受约束时）需配置纵向加劲肋”(3)任何情况下h0/tw250(4)梁支座和上翼缘集中荷载处，宜设置支承加劲肋,条 取消横向加劲肋间距验算，直接验算区格局部稳定性。仅配横向加劲肋时：,单项临界应力cr，cr，c,cr各有三个计算公式,例如计算scr为a、b、c三个公式。其中a式的临界应力等于强度设计值f；而c式为完全弹性的临界应力，与原规范的规定相当；b式则为弹性到屈服之间的过渡。公式采用了国际通行的表达方式，采用通用高厚比作为参数，即当(a)

18、当(b)当(c),式中 为腹板受弯计算时的通用高厚比当梁受压翼缘扭转受到约束时,当梁受压翼缘扭转未受到约束时,hc为梁腹板弯曲受压区高度,计算cr为a、b、c三个公式。通用高厚比 当(a)当(b)当(c),式中 为用于腹板受剪计算时的通用高厚比，为钢材抗剪屈服强度，等于；当a/ho1.0时,当a/ho1.0时,计算sc,cr为a、b、c三个公式。通用高厚比 当(a)当(b)当(c),式中 为用于腹板受局部压力计算时的通用高厚比，当0.5a/ho1.5时,当1.5a/ho 2.0时,条 腹板同时配纵、横向加劲肋时,取消纵向加劲肋位置验算，直接验算区格局部稳定性。1、受压翼缘与纵向加劲肋之间的区格

19、,临界应力cr1，cr1，c,cr1按(和)计算,按()计算cr1时lb用lb1代替当梁受压翼缘扭转受到约束时,当梁受压翼缘扭转未受到约束时,h1为纵向加劲肋至腹板计算高度边缘的距离。按()计算tcr1时h0用h1代替,按()计算c,cr1时lb用lc1代替当梁受压翼缘扭转受到约束时,当梁受压翼缘扭转未受到约束时,2、受拉翼缘与纵向加劲肋之间的区格,临界应力cr2，cr2，c,cr2按(4.3.3-24)计算s2为腹板在纵向加劲肋处的弯曲正应力sc2为腹板在纵向加劲肋处的横向压应力sc2=0.3sc,按()计算cr2时lb用lb2代替,按()计算tcr2时，h0用h2代替按()计算c,cr2时

20、，h0用h2代替，当a/h22时,取a/h2=2,条 取消吊车梁腹板计算，改成 受压翼缘与纵向加劲肋间配短加劲肋时，区格局部稳定性计算,临界应力cr1，cr1，c,cr1按(4.3.3-23)计算，h0用h1代替，a用a1代替,按()计算c,cr1时lb用lc1代替当梁受压翼缘扭转受到约束时,如a1/h11.2，当梁受压翼缘扭转未受到约束时,如a1/h11.2，,条 加劲肋构造要求，未变条 支承和支座加劲肋计算，未变,条 局部修改：梁受压翼缘自由外伸宽度b与厚度t之比，应符合要求,当gx=1.0时，b/t可放宽至,4.4 组合梁腹板考虑屈曲后强度的计算,新增本节4.4.1条（1）本节条款不适用

21、于吊车梁，因有关资料不充分，多次反复屈曲可能导致腹板边缘出现疲劳裂纹。（2）梁腹板受剪屈曲后强度计算，利用了张力场概念。使极限剪力大于屈曲剪力。精确确定张力场剪力值需要算出张力场宽度，比较复杂，为简化计算，条文采用了相当于下限的近似公式。,（3）利用腹板屈曲后强度，即使h0/tw很大，一般也不再考虑设置纵向加劲肋。而且只要腹板的抗剪承载力不低于梁的实际最大剪力，可只设支承加劲肋，而不设置中间横向加劲肋。（4）利用腹板屈曲后强度后，梁的抗弯承载力有所降低，但降低不多，对Q235钢的梁来说，当h0/tw=200（受压翼缘扭转受到约束）或h0/tw=175（受压翼缘扭转未受约束），抗弯承载力只下降5

22、%以内。,腹板仅配支承加劲肋，考虑屈曲后强度抗弯和抗剪承载能力验算式中 M、V所计算截面处梁的弯矩和剪力设计值。当MMf时,取M=Mf，当V/Vu0.5时,取V=0.5Vu,Mf梁两翼缘所承担的弯矩设计值，规范的Mf计算式是考虑两翼缘截面不等的情况；Vu、Meu梁抗剪和抗弯承载力设计值。腹板屈曲后的抗剪承载力Vu应为屈曲剪力与张力场剪力之和，根据理论和试验研究，抗剪承载力设计值Vu可用下列公式计算：,当ls0.8时 Vu=hwtwfv(a)当0.81.2时 Vu=hwtwfv/ls1.2(c)式中 ls用于抗剪计算的腹板通用高厚比。当a/ho1.0时，=4+5.34(ho/a)2；当a/ho1

23、.0时，5.34+4(ho/a)2。如果只设置支承加劲肋而使a/ho甚大时，则可取5.34。,腹板屈曲后梁的抗弯承载力Meu腹板屈曲后考虑张力场的作用，抗剪承载力有所提高，但由于弯矩作用下腹板受压区屈曲后，使梁的抗弯承载力有所下降我国规范采用有效截面的概念来计算梁的抗弯承载力。,ae为梁截面模量折减系数,假定腹板受压区有效高度为hc，等分在hc的两端，中部则扣去（1-）hc的高度，梁的中和轴也有下降。现假定腹板受拉区与受压区同样扣去此高度，这样中和轴可不变动，计算较为简便。hc为腹板受压区的高度。,梁截面惯性矩为（忽略孔洞绕本身轴惯性矩）：梁截面模量折减系数为：上式是按双轴对称截面塑性发展系数

24、x=1.0得出的偏安全的近似公式，也可用于x=1.05和单轴对称截面。,有效高度系数，与计算局部稳定中临界应力 一样以通用高厚比 作为参数，也分为三个阶段，分界点也与计算 相同，即当 时，(a)当(b)当(c),通用高厚比b仍按局部稳定计算中公式计算，即（受压翼缘扭转受到约束）或（梁受压翼缘未受到约束）任何情况，以上公式中的截面数据Wx、Ix以及hc均按截面全部有效计算。,条 考虑腹板屈曲后强度的加劲肋（1）只设横向加劲肋（支承加劲肋和剪力较大区的中间横向加劲肋），但不允许在腹板单侧设置。张力场使中间横向加劲肋所受轴心压力规定为：s=Vu-hotwcr+F式中，Vu即腹板屈曲后的抗剪承载力；c

25、r为临界剪应力；F为承受的集中荷载。按轴心受压构件计算加劲肋处平面外稳定性,（2）梁的支座加劲肋除支座反力外，还承受张力场斜拉力水平分力H对设横向加劲肋的梁，a取支座端区格的加劲肋间距。对不设中间加劲肋的腹板，a取梁支座至跨内剪力为零的距离。H的作用点在距腹板高度边缘ho/4处。按压弯构件计算加劲肋强度和平面外稳定性，截面和计算长度同一般支座加劲肋。,为了增加抗弯能力，在梁外端加设封头板（图a）。可采用下列方法之一进行简化计算：将封头板与支座加劲肋之间视为竖向压弯构件，简支于梁上下翼缘，计算其强度和稳定；将支座加劲肋按承受支座反力R的轴心压杆计算，封头板截面积则不小于Ac=3h0Ht/(16ef)，式中e为支座加劲肋与封头板的距离；f为钢材强度设计值。,