研究生课程论文《高等钢结构理论》

研究生课程论文 高等钢结构理论 1 引言 作为结构工程专业博士研究生的一门学位课程，《高等钢结构理论》所涉及到的内容包罗甚广。 总的来说，应当主要包括以下内容：钢结构的材料性质，钢结构的连接，钢结构的断裂与疲劳破 损，钢结构的稳定理论，钢结构的与制造，厂房钢结构，大跨屋盖钢结构，多高层房屋钢结 构，塔桅钢结构，大跨度结构的极限承载力理论和方法，钢结构的动力分析及冷弯薄壁型钢 结构等。《钢结构》在土木工程专业的本科阶段和结构工程专业的硕士研究生阶段都曾经学习过， 其基本内容和上述内容没有什么差别，所不同的只是，现阶段的学习在广度和深度上都应当比以 往更加深入，尤其应当在稳定理论方面掌握深厚的知识。这是因为对于钢结构而言，稳定性能是 决定其承载能力的一个特别重要的因素，同混凝土结构相比，强度已经退居到一个次要的地位， 在钢结构的理论和设计方法上，钢结构的稳定性能都显得格外需要重视。 近几十年来，在研究发挥钢结构稳定性能的潜力和完善稳定计算的理论方面，国内外都取得 了很大的进步。钢结构基本构件的稳定理论，现在已经从弹性稳定发展到弹塑性稳定。以往研究 较多的完善杆件的稳定性问，现在也已经发展到了研究带有几何缺陷和力学缺陷的实际杆件。 并且，随着高速电子计算机存储的海量增长和性能的飞速发展，对于各种构件的稳定性能的研究， 也已经发展到了采用各种数值方法来计算其极限荷载，并分析其屈曲后性能从而得到 P－Δ的全 程曲线。在作理论分析的同时，包括我国在内的许多国家同时还进行了大量的稳定性能的试验验 证，以及将理论研究成果利用图表表示或演化为实用计算公式，从而将弹塑性稳定理论用于解决 钢结构设计中的各种实际问题。 钢结构稳定理论的研究，归根结底还是为了实际上的应用。而理论上的研究成果，也只有在 正式形成并发布实施之后，对于实际的各种类型的钢结构工程的设计和制造才能起到指导性 作用。因此，钢结构稳定研究的最新成果，往往被各国的设计规范所吸收采纳。2003 年 10 月份， 我国新一版的《钢结构设计规范》(GB 50017－2003)终于正式发布实施，其中就吸纳了近十几年 来国内外的最新研究成果，对原规范(GBJ 17－88)的内容进行的较大范围的修订。本着理论研究 应当服务于工程应用的考虑，学习《高等钢结构理论》这门课，在掌握钢结构稳定理论的同时， 应当关注理论的规范转化。因此，本课程报告的内容，在简要介绍钢结构基本设计原理和设计方 法之后，将对原规范中存在的问题，新规范的主要修订内容和今后的研究方向进行大概地介绍。 2 钢结构基本原理和设计方法简述 2．1 钢结构基本原理 2. 1. 1 材料的基本性能 建筑结构中所用的钢材通常都是塑性性能较好的材料，在拉力的作用下具有明显的屈服平台。 因此，传统的钢结构设计，以钢材的屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的 准则。在钢材的生产过程中，要经过熔炼，脱氧，轧制，矫直和热处理等工艺阶段，这些都会对 钢材的力学性能产生很大的影响。另外，钢结构在加工制造安装中的冷加工，焊接和焰割也会对 钢材材性，比如冷作硬化，焊接残余应力，焊接残余应变等带来很大影响。因此，在钢结构的设 计分析和计算中，要充分考虑到这些影响因素，这样才不会造成较大的误差。此外，钢材是一种 易腐蚀性材料，当结构的工作环境处于潮湿和腐蚀性介质的包围中时，应特别注意结构防腐，现 在国内已能生产耐候钢材，其耐腐蚀性能比普通钢材大大的提高。 - 1 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 2. 1. 2 钢材的脆断和疲劳 在实际工程中，经常会出现这样一种现象，即钢结构构件所承受的应力并未达到屈服应力的 情况下，结构构件突然断裂，破坏的形式时脆性破坏，因此，钢材的脆断和疲劳在实际应用中是 非常危险的一种破坏形式，必须尽最大的可能防止其发生。 脆断主要发生在焊接结构中，特别是在气温较低的情况下，脆性破坏是钢结构设计中的一种 特殊问题，普通的强度计算无法解决。现通常采用断裂力学的方法来解决钢材的低应力脆断问题。 断裂力学的观点认为，解决脆断问题必须从结构内部存在微小裂纹的情况出发来进行分析，断裂 是在荷载和侵蚀性环境的作用下，裂纹扩展到临界尺寸时发生的，如果构件内部原来就存在较大 裂纹，那么它在一定的条件下就会断裂。影响脆断的直接因素是裂纹尺寸，作用应力和材料的韧 性。因此，控制焊接结构的初始裂纹，避免焊缝过于集中，避免截面突然变化，都有助于防止脆 断的发生。 当钢结构承受的荷载是一种交变荷载，即荷载的作用方向和作用幅值随时间不断循环变化， 在这种情况下，材料内部的裂纹会随着荷载作用不断开展已致最后达到临界尺寸而断裂。一般来 讲，疲劳破坏经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。对于钢结构，实际 上只有后两个阶段，因为结构总会存在内在的微小缺陷，这些缺陷本身就起着裂纹的作用。为提 高结构的疲劳强度，应当靠构造细节设计适当和精心施工来得到好的质量，也可在焊接之后进一 步采取一些工艺措施，比如缓和应力集中程度，消除切口，在表层形成压缩残余应力等。 2. 1. 3 钢结构稳定问题分类 稳定是钢结构的一个突出性问题。在各种类型的钢结构中，都会遇到稳定问题，由于钢结构 的失稳发生突然，是一种脆性破坏，因此在钢结构的设计当中对稳定更应慎重对待。 弹性稳定可以分为三种类型： 1. 稳定分岔屈曲：结构在到达临界状态时，从未屈曲的平衡位形过渡到无限临近的屈曲平衡 位形，即由直杆出现微弯，此后，变形的进一步增大要求荷载的进一步增加。 2. 不稳定分岔屈曲：结构屈曲后只能在比临界荷载低的荷载下才能维持平衡位形。这种屈曲 也叫“有限干扰屈曲”。 3. 跃越屈曲：结构由一个平衡位形突然跳到另一个平衡位形，其间出现很大的变形。 此外，当构件进入弹塑性变形阶段后，所发生的失稳是弹塑性的极值失稳，又可以称作杆件 的“压溃”。 2. 1. 4 钢结构稳定问题的特点 在分析结构的稳定性问题时，必然要涉及到结构变形后的位形和变形对外力效应的影响，即 要考虑二阶效应的影响。针对未变形的结构来分析它的平衡，不考虑变形对外力效应的影响，叫 做一阶分析；针对已变形的结构来分析它的平衡即二阶分析。原则上讲，稳定问题都应当采用二 阶分析。由于是针对已变形的结构来分析它的平衡，因此对稳定问题而言，静定结构和超静定结 构的区分就失去了意义。此外，钢结构稳定问题的另一个重要特点就是叠加原理不再适用。 结构的稳定承载力，和他的刚度密切相关，因此在稳定问题的分析种，特别要注重整体分析 的观念。强度问题是截面的问题，而稳定问题是构件整体的问题。如果忽视结构的整体性进行稳 定分析，则很有可能发生危险。在结构的稳定设计种，结构整体布置必须考虑整个体系及其组成 部分的稳定性要求。由于杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假定或典型情况得出 的，设计时必须确知所设计的结构能够符合这些假设，这时才能加以应用。另外，设计结构的细 部构造和构件的稳定计算必须互相配合，使二者具有一致性。 - 2 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 2．2 钢结构设计方法 2. 2. 1 杆件设计 杆件设计在钢结构设计中是最为基本的设计内容，包括拉杆设计，轴心压杆设计，受弯杆件 设计，压弯杆件设计和框架设计。杆件设计又包括强度设计，刚度设计，整体稳定性设计和局部 稳定性设计。此处不再列出具体的设计公式，在本文第三部分中对新规范修订的相关内容会作进 一步的讨论。这里主要强调一些在设计中应当注意的概念性问题： 1. 应当时刻注意杆件的稳定性问题，钢结构设计人员应树立这样的观念，即在钢结构的构件 和体系中，凡有压应力出现的区域，就有发生失稳的危险性，对此部分的设计就一定要验算其稳 定性。 2. 要注重钢结构设计的整体性观念，不因局部杆件的安全而忽略整体的安全。 3. 整体稳定和局部稳定的相关性。杆件的整体稳定和局部稳定是密切相关的，目前我国规范 在此方面相关规定还很不够细致，杆件的整体稳定和局不稳定是分别验算的，局部稳定只是规定 的板件的宽厚比限值，但设计人员在进行设计时，二者相关的原理和概念应当明确。 4. 杆件的计算长度应区分清楚，在结构的不同位置，其计算长度是不同的。 5. 实际钢结构杆件端部约束和杆件之间连接的力学模型简化要符合实际情况，而不应当与计 算模型有较大的差异，否则必然会造成较大的计算误差。 2. 2. 2 连接设计 钢结构的连接主要有焊接连接和螺栓连接。在焊接连接中，热影响区的焊接残余应力和焊接 残余应变对结构的性能有巨大的影响。在焊接连接中，有关构造要求应严格掌握，比如规定焊缝 的有效厚度和有效长度，规范的制定依据是建立在焊缝受力偏心，内力沿焊缝长度有效分布等基 础上的，在设计中只有深刻理解其制定原理才能够正确地采用。 对于高强螺栓连接应推广承压型高强螺栓连接，这样可以适当降低结构的造价。但对于十分 重要的结构和直接承受动力荷载的结构，尤其是荷载引起连接的反向应力时，使用摩擦型高强螺 栓连接使其具有更大的安全储备还是必要的。 2. 2. 3 构造设计 构造设计是指结构细部的处理，如解决构件或零件之间的衔接问题，主要有构件之间的拼接， 梁与梁之间的连接，梁与柱之间的柔性连接，半刚性连接和刚性连接，柱脚设计，桁架节点设计 等。构造设计在整个工程设计中属于细节问题，但决不代表属于次要性的设计。构件之间的相互 连接之处往往会形成应力集中或局部应力，处理不好就会影响结构的承载能力。要保证能够对构 件进行合理正确的设计，应当具有明确清晰的力学概念。 2. 2. 4 钢结构的塑性设计 钢结构的塑性设计是在超静定结构中利用材料的塑性性能，取结构在荷载作用下陆续出现几 个塑性铰直至形成机构作为承载能力的极限状态，以充分发挥材料的潜力。在塑性设计中可以把 钢材假定为理想的弹塑性材料，不考虑其应变硬化的影响。这样得出的承载能力和实际出入不大， 并偏于安全。但理论和试验研究都表明，用于塑性设计的钢材必须具有应变硬化性能而且不能过 低，在规范中即规定能够用于塑性设计的钢材的强屈比不应小于 1.2。 结构以形成机构作为极限状态来进行设计还有两个条件，就是不至因板件屈服或杆件弯扭屈 曲而提前丧失承载能力。这就需要对板件进行严格的宽厚比限值。而防止构件在出现机构前弯扭 屈曲就要靠适当布置侧向支撑来解决。 - 3 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 3 钢结构规范修订内容 3．1 原规范(GBJ 17－88)中存在的问题 3. 1. 1 材料选用 原规范中所用材料的名称，牌号及设计指标等与现行国家标准不符，且没有反映高强度钢材， 亦没有考虑钢材抗脆性断裂的问题。对于目前在实际中已有应用的 Z 向钢和耐候钢，原规范中也 没有相应的规定。 3. 1. 2 框架结构内力分析方法 对框架结构没有内力分析方法方面的规定。无支撑的单层纯框架，侧移对内力的影响很小， 不必考虑竖向荷载对侧移的二阶效应，但多层纯框架情况就不同了。对框架结构，过去常用一阶 分析计算内力，并将无支撑框架和支撑结构的抗侧移刚度小于框架本身抗侧移刚度 5 倍的有支撑 框架等同为有侧移框架，均按有侧移框架柱计算长度系数的表格查取 μ值。这样显然粗糙一些， 不符合计算精确化的趋向。另外，原规范附录中有侧移和无侧移框架的柱子计算长度系数表格是 建立在某些基本假定的前提之下的，当不符合这些基本假定时如何处理，原规范却没有交待。 3. 1. 3 吊车和吊车梁设计 1．吊车横向水平荷载的增大系数 α值源于前苏联 1953 年的规定，沿用至今，前苏联于二十 世纪七十年代已对此作出修改。 2．吊车工作制与起重机设计规范(GB3811-83)中规定的吊车工作级别缺乏联系，操作困难。 3．吊车梁的挠度限值，计算时应采取的吊车荷载原规范无明确规定，习惯上是用两台吊车计 算的，不符合正常使用的概念。 3. 1. 4 结构和构件变形限值 有关结构和构件变形限值的规定，原规范缺乏灵活性，没有考虑多方面的使用经验和工艺或 其它方面的具体要求，与国外规范相比，正文中规定过细。 3. 1. 5 受弯构件 1．在一般梁的强度计算中，缺少利用腹板屈曲后强度的内容。 2．原规范中梁腹板局部稳定的相关公式是按纯弹性理论建立的，各种荷载单独作用下的临界 应力作为一种特征值，有时会大于钢材强度，这终究是一个缺陷。 3. 1. 6 轴压和压弯构件 1．对单轴对称截面轴压构件绕对称轴的弯扭失稳问题，原规范为了简化计算，将其归并到某 一个截面分类类别(如 b 类或 c 类)中按弯曲屈曲来对待。但由于各种因素的影响，误差的幅度有时 较大，一些截面形心和剪心之间距离较大的构件偏于不安全，而且长细比愈小，截面宽厚比愈大， 误差亦愈大。以双角钢组合 T 形截面为例，以长边相并者误差最大可高达 15%，而当长细比大于 100 时误差即降至 10%以内。 2．原规范利用轴压构件的偶然剪力作为减小压杆计算长度的支撑力在理论上是不确切的。 3．原规范对截面厚度 t 超过 40mm 的轴压构件的稳定系数φ未深人进行研究，将其归于 c 类 截面处理。而厚板截面的焊接残余应力较高且沿厚度方向产生变化，而板件外表面往往以残余压 应力为主，影响抗压承载力。研究表明，某些截面的稳定系数φ已低于按 c 类截面查取的值。 3. 1. 7 连接 在连接计算方面有些条文与国内外有关规范协调不够，某些内容空缺，需要补充。 - 4 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 3. 1. 8 钢管结构 在钢管结构方面，原规范只列有圆管平面节点的承载力计算公式，缺少空间节点，而且这些 公式亦是根据当时收集到的近 300 个试验资料进行分析并对照国外规范后提出来的。随着钢管结 构的发展，新的试验数据和有限元分析结果得到了大量补充，对原公式理应作出相应的修改。另 外，原规范缺少矩形管的内容，应予以补充。 3. 1. 9 其它 我国有关钢结构设计的一些新的科研成果和实践经验没有及时在规范中得到反映，如插入式 柱脚和新型连接材料等等。 3．2 新规范(GB 50017－2003)的主要修订内容 3. 2. 1 材料 1．为扩大高强度结构钢在土木工程中的实际应用，新规范在材料方面增列了在九江长江大桥 中已成功使用的 Q420 级钢（15MnVN），相当于美国的 A572-60 级和日本的 SM520 钢。 2．对高层钢结构或类似的重要建 (构 )筑物则宜用我国的《高层建筑结构用钢板》 (YB4104-2000)，其牌号有 Q235Gj(Z)和 Q345Gj(Z)两种(括号中的 Z 表示具有厚度方向的性能)， 质量等级相当于 GB/Tl591-1994 中的 C，D，E 级，供货状态有热轧，正火和控轧，其性能相当于 日本《建筑结构用钢材》(JIS3136-1994)中的钢材性能，而且质量上还有所改进。 3．对钢结构而言，尽可能的防止脆性破坏在设计和施工中都是一个尤其需要重视的问题。为 提高结构和构件的抗脆断性能，保证建筑物的安全可靠，对承受静载的重要受拉和受弯的焊接构 件，当钢材厚度 t≥16mm 时，提出了对钢材冲击性能的要求，即与需验算疲劳的构件相同。另外， 在结构工作温度 T≤-20℃的地区，提出了提高结构抗脆断能力的构造要求。由于原规范和新规范 所依据的钢材标准对冲击性能的要求不同，在新规范中增加了 0℃冲击韧性的要求，并调整了不 同钢种的冲击试验温度，即将 Q345 钢和 Q235 钢采取相同的冲击试验温度。 3. 2. 2 基本设计规定 1．新规范在第三章的基本设计规定中，强调了设计原则的指导。突出设计原则是当前国际上 设计规范的一个共同特点。早先的规范条款主要以试验或实践经验为主，故条文简单具体，很少 涉及理论依据或其它要求。而近几十年来随着科技的飞速发展，人们对结构性能的认识已相当透 彻，计算更为精细，在总体上已形成系统的知识，规范的任务就不仅限于提供计算公式和数据限 值，而是先要给予设计原则的指导。 2．增加了框架结构内力分析的相应条款。对无支撑的多，高层纯框架强调了采用二阶弹性分 析进行内力计算的方法，并介绍了近似计算公式，对节点连接为半刚性的框架计算，亦作了原则 性的规定。 3．结构和构件的变形，在正文中仅列出原则性规定，并强调当有实践经验或有特殊要求时， 可以根据不影响正常使用和观感的原则对变形的限值作适当调整。将原规范中有关变形限值具体 数据的条文移入附录，同时作了相应修正。 4．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，要根据 吊车的具体操作情况和实践经验慎重考虑后确定。 3. 2. 3 受弯构件 在受弯构件计算这一节中，主要修订的内容是梁腹板的局部稳定计算。参考国际标准，将受 静荷载且仅配置支承加劲肋或尚有中间横向加劲肋的一般工字形截面组合梁按考虑腹板屈曲后强 度来计算梁的抗剪和抗弯承载力，而不再验算梁腹板的局部稳定。 - 5 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 3. 2. 4 轴压和压弯构件 1．在轴压构件中，增加了单轴对称截面绕对称轴(y 轴)失稳时用换算长细比 λyz 代替 λy 的理 论公式，并且对单角钢截面和由双角钢组成的 T 形截面给出了 λyz 计算的简化公式。原规范认为 等边单角钢截面，双角钢 T 形截面和单轴对称的工字形截面绕对称轴失稳的弯扭屈曲承载力比弯 曲失稳下降不多，基本上未超出所属截面类别柱子曲线的分布范围，将 λy 改用 λyz 后将使计算更 为精确，但不影响截面类别。而轧制和焊接 T 形及槽形截面绕对称轴弯扭失稳的承载力下降较多， 故原规范将其列入 c 类截面，现用 λyz 代替 λy 后，可返回为 b 类，仅将焊接 T 形截面中翼缘为轧 制或剪切边者仍留在 c 类。 2．原规范将无任何对称轴的截面绕任意轴的失稳按 c 类截面的弯曲失稳处理是没有根据的， 也可能是不安全的，新规范认为这种截面不宜用作轴压构件。由两块板焊成的十字形截面和箱形 截面，原规范列为 b 类，新规范将板件边缘为轧制或剪切的十字形截面和板件宽厚比≤20 的焊接 箱形截面改为 c 类。 3．重新规定了减少受压构件自由长度的支撑力，假定支撑为弹性支座，从支撑所应具有的最 低刚度出发来确定支撑力。规范给出了单根柱有一道支撑及多道支撑的支撑力计算公式，又给出 了被撑构件为多根柱组成的柱列时的支撑力计算公式。 4．调整了压弯构件稳定计算中的等效弯矩系数的取值。因为对纯框架已建议用二阶弹性分析 方法计算内力，故不论纯框架柱或有支撑框架柱均可按两端支承构件对待，采用相同的等效弯矩 系数值。仅当用一阶弹性分析法计算内力的纯框架性及弱支撑框架柱时，等效弯矩系数值仍取为 1.0。 5．在压弯构件稳定计算弯矩作用平面外的计算公式中，在 Mx 项前面增加截面影响系数η(对 闭口截面η＝0.7，对其它截面η＝1.0)。而将闭口截面的 φb 值由原规范的 l.4 改为 1.0。对单轴对 称截面，公式中的 φy 理应按 λyz 查取，但由于压弯构件的单轴对称截面的 λyz 计算复杂，而且截 面形心与剪心比较接近，λy 与 λyz 的差别不大，故规定除仅对 T 形截面应按 λyz 确定 φy 外，其 它截面均可按 λy 确定 φy 。 6．对桁架交叉腹杆中的压杆在桁架平面外的计算长度l0参考德国标准对原规范进行修改，列 出了四种情况和五个计算公式。l0与两交叉腹杆的内力特征(受拉或压，内力大小等)有关。与原规 范相比，差别在＋12.9%～－30%之间。 7．对附录中有侧移和无侧移框架柱的计算长度系数表进行了局部修正，根据横梁远端的连接 刚度和横梁的轴向内力补充了横梁线刚度的修正系数。根据底层框架柱柱脚的具体构造对 K2 的 取值作出规定，即对平板支座取 K2＝0.1(因为非理想饺)，刚接时取 K2＝10。(原规范假定为绝对 嵌固，K2＝∞)。 8．将框架分为无支撑纯框架和有支撑框架两大类，对纯框架，当采用一阶弹性分析法计算内 力时，按附录中有侧移框架柱的计算长度系数表取用。当采用二阶弹性分析法计算内力并在柱顶 考虑假想水平力时,取μ=1.00。对有支撑框架，则根据支撑结构侧移刚度(产生单位倾侧角的水平 力)的不同而分为强支撑框架和弱支撑框架并分别确定框架柱的μ值。 9．增加了在某些情况下对框架柱的计算长度系数μ应加以修正的规定。当框架柱可得到相邻 柱的支持时，该柱的μ值可予以折减，而提供支持作用的柱的μ值应相应增大。对支持摇摆柱的 框架柱计算长度系数的增大系数则列有计算公式。此处规定正是充分考虑到了框架结构的稳定是 一个整体性的概念。 - 6 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 3. 2. 5 连接 1．关于焊缝连接方面：增加了对焊缝质量等级选用的具体规定，以满足工作需要。对 T 形对 接焊缝，按《焊接术语》(GB/T3375-94)，明确规定应采用对接与角接组合焊缝。对焊缝的计算长 度进行修改，原规范对未用引弧板施焊的对接焊缝和角焊缝，每条焊缝的计算长度一律为实际长 度减 10mm，现改为减 2t(对接焊缝)或(角焊缝)2hf。在直角或斜角 T 形接头用角焊缝连接的强度计 算中，考虑了根部间隙 b 的影响，并给出了相应的计算公式。将原规范部分焊透的对接焊缝或对 接与角接组合焊缝中笼统写成的 V 形坡口区分为 V 形坡 l-l 和单边 V 形(含 K 形)坡口，并分别给 出了这种焊缝计算厚度 he 的确定方法。 2．关于紧固件连接方面：在高强度螺栓连接摩擦面的抗滑移系数 μ的表格中增加了 Q420 钢 的 μ值，同时对表中的 μ值进行了调整，最高不大于 0.5。增加了自攻螺钉，拉锚钉和射钉等新型 紧固件的相关内容。 3．增加了梁与柱刚性连接这一节，其内容与现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)以及 行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)是协调的。 4．根据试验研究的结果，增加了连接节点处板件的计算这一节，主要内容有：给出了连接板 件在拉，剪共同作用下的强度计算公式，适用于拉力与板件撕裂线之间的不同夹角。提出了用有 效宽度法计算桁架节点板强度的近似公式，应力扩散角取为 30 度。首次提出了桁架节点板在受压 斜腹杆作用下的稳定计算方法。为简化设计，对有竖腹杆的节点板给出可以不计算稳定的 c/t(c 为 受压斜腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距，t 为节点板厚度)的下限值，对无竖腹 杆的节点板给出可用简化公式计算稳定的 c／t 下限值。当 c/t 超过规定的下限值时，应按附录中 所给的方法进行稳定计算。由于此法是根据有限的试验结果拟合而成，在 c/t 的一定范围内，试验 结果比较稳定，计算值平均为试验值的 85%，偏于安全。但当 c/t 超出一定范围后，计算值将大于 试验值，不安全。故规范规定了 c/t 的上限值，即严禁超过此值。 5．根据实践经验，增加了几种支座形式，即常用的平板支座和近年来开发的橡胶支座和球形 钢支座。 3. 2. 6 构造要求 1．取消了原规范对焊件厚度的限制。因为该限值是根据当时的钢材标准和实践经验提出的， 现在不仅钢材标准已经改变而且在工程实践中有突破。另外，从防止脆断的角度出发，焊件的厚 度限值与结构形式，应力特征，工作温度和构造等多种因素有关，原规范的规定亦不够全面，容 易引起误会。 2．明确了有些构造要求不适用于钢管结构。 3．关于焊缝连接方面：对宽度或厚度不同的焊件用对接焊缝拼接时，原规范规定要做成坡度 不大 1：4 的斜角，现根据国外经验对静载结构改为不大于 1：2.5。角焊缝的最小焊脚尺寸 hf≤1.5t½， 原规范对 t 定义为较厚焊件的厚度，现根据国外经验，加注说明:当采用低氢型碱性焊条时，t 取 为较薄焊件的厚度。侧面角焊缝的最大计算长度，原规范按动载结构和静载结构分别规定为 40hf 和 60hf，现根据试验结果，统一取为 60hf。 4．螺栓连接： 对螺栓间距表参照桥梁规范和国外规范进行局部修订。补充了垂直内力方向 的间距的规定。对沿杆轴方向受拉的连接，增加了为减少撬力的构造要求。 5．根据实践经验和试验研究，增加了插入式柱脚，埋入式柱脚和外包式柱脚等新型柱脚形式， 并对插入式柱脚的最小埋深作出了规定，同时补充了柱脚底板与混凝土基础间抗水平力的摩擦系 数值 μ=0.40。 - 7 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 6．根据科学试验和实践经验，规定的吊车梁(或吊车桁架)上翼缘和制动梁可以用角焊缝连接。 7．根据实践经验，增加了 L≥60m 的大跨度屋盖结构的构造要求。 8．增加了提高寒冷地区结构抗脆断能力的要求这一节，适用于工作温度 T＜-20℃的地区。 其内容主要是根据我国在东北寒冷地区的建设经验以及前苏联在这方面的研究成果制定的。 9．对防护和隔热进行了补充修改，明确提出了钢结构的防腐蚀（锈蚀亦是一种腐蚀）和防火 问题以及应遵守的有关国家标准与设计原则。在设计文件中应注明所要求的钢材除锈等级和采用 的涂料(或镀层)名称及其厚度。 3. 2. 7 塑性设计 1．取消了原规范在塑性设计时应乘以强度折减系数 0.9 的规定，因原规定依据不足。 2．将符合塑性设计要求的钢材力学性能从条文说明移入正文并对塑性应变的要求加以修改。 3. 2. 8 钢管结构 1．圆钢管结构：随着钢管结构的发展，同济大学对根据最近收集到的国内外新的试验数据和 有限元分析结果建立起来的数据库进行了统计分析后，对原规范进行了下列修改：对管节点承载 力的计算公式作了局部修订，使计算结果的置信度和均值更为合理。将公式的适用范围由原规范 的径厚比 d/t≤50 扩大到 d/t≤100(主管)和 di/ti≤60(支管)。补充了 TT 型和 KK 型空间管节点承载 力的计算公式。另外，将主管轴力影响系数表达式中对主管轴向应力的定义由原来的“最大轴向 应力”改为“节点两侧主管的较小轴向压应力”。 2．增加了矩形管(含方管)结构的平面管节点承载力计算公式。经研究分析后，将国外资料中 的矩形管节点承载力统一乘以折减系数 0.9。对 T,Y,X 形节点,根据哈工大的科研成果对国外公式进 行了修正。 3. 2. 9 基本设计规定钢与混凝土组合梁 1．将圆柱头焊钉的抗剪承载力的限值进行修订。 2．增加了连续组合梁负弯矩处截面的计算方法。 3．增加了压型钢板组合板的组合梁设计。 4．增加了部分抗剪连接件组合梁的设计。 3．3 今后的研究方向 1．研制，开发和建立建筑钢结构用钢材品种(含钢管)的系列。 2．进行建筑钢结构抗脆断性能的研究,从计算和构造(包括板厚限值)方面提出相应措施。 3．对半刚性节点的框架结构进行研究。 4．继续对梁腹板的稳定问题进行研究。 5．对应力幅相同但最大拉应力相差较大时疲劳性能的差异问题进行研究,同时应开展用极限 状态设计法进行疲劳计算的研究。 6． 对 8.8 级高强度螺栓的预拉力值是否可以提高进行试验研究。 7．继续对低合金高强度结构钢特别是厚板的力学性能进行统计分析,并在此基础上对钢材的 设计指标作必要的修正。 4 结语 综上所述，新的钢结构设计规范(GB 50017－2003)比起原规范(GBJ 17－88)在很多方面都进行 了大量的修订，修正了原规范中的不足，吸纳了最新的科研成果。新的钢结构设计规范的颁布实 - 8 - 研究生课程论文 高等钢结构理论 施必将对钢结构在我国建筑工程中的进一步推广普及发挥积极的作用。 主要参考文献： ［1］ 陈绍蕃．钢结构设计原理［M］．北京: 科学出版社，2001． ［2］ 陈绍蕃．钢结构稳定设计指南［M］．北京: 中国建筑工业出版社，1996． ［3］ 吕烈武，沈世钊，沈祖炎，胡学仁．钢结构构件稳定理论［M］．北京: 中国建筑工业出版社，1983． ［4］ 陈骥．钢结构稳定理论与设计［M］．北京: 科学出版社，2001． ［5］ W.F.Chen, and E.M. Lui．Structural Stability—Theory and Implenmentation［M］．New York: Elsevier, 1987． ［6］ W.F.Chen(陈惠发), T.Atsuta 著；周绥平，陆楸，韩大建译．梁柱分析与设计（第一卷）平面问题特性及 设计［M］．北京: 人民交通出版社，1997． ［7］ W.F.Chen(陈惠发), T.Atsuta 著；周绥平，刘西拉译． 梁柱分析与设计（第二卷）空间问题特性及设计 ［M］．北京: 人民交通出版社，1997． ［8］ 李国强，沈祖炎．钢结构框架体系弹性及弹塑性分析与计算理论［M］．上海: 上海科学技术出版社，1998． ［9］ 郭在田．薄壁杆件的弯曲与扭转［M］．北京: 中国建筑工业出版社，1989． ［10］ 任伟新，曾庆元．钢压杆极限承载力分析［M］．北京: 中国铁道出版社，1994． ［11］ 沈祖炎，陈扬骥．网架与网壳［M］．上海: 同济大学出版社，1997． ［12］ 沈世钊，徐崇宝，赵臣．悬索结构设计［M］．北京: 中国建筑工业出版社，1997． ［13］ 张其林．索和膜结构［M］．上海: 同济大学出版社，2002． ［14］ 蓝天．大跨度屋盖结构抗震设计［M］．北京: 中国建筑工业出版社，2000． ［15］ 沈祖炎，陈扬骥，陈以一．钢结构基本原理［M］．北京: 中国建筑工业出版社，2000． ［16］ 王肇民．建筑钢结构设计［M］．上海: 同济大学出版社，2001． ［17］ 秦效启．钢结构技术规范，规程概论［M］．上海: 同济大学出版社，1999． ［18］ 陈富生，邱国桦，范重．高层建筑钢结构设计［M］．北京: 中国建筑工业出版社，2000． ［19］ 中华人民共和国国家标准．钢结构设计规范 GBJ 17－88［M］．北京: 中国建筑工业出版社，1988． ［20］ 中华人民共和国国家标准．钢结构设计规范 GB 50017－2003［M］．北京: 中国出版社，2003． - 9 -