专栏上线|17钢标疑难浅析（4）


	GB50017—2017《钢结构设计标准》（简称17钢标）已于2018年7月1日正式实施。对比前一版的GB50017—2003《钢结构设计规范》，17钢标在内容上进行了大量的修订和增补，特别是增加了诸如钢结构设计直接分析法和钢结构抗震性能化设计等新内容。为使大家在应用17钢标进行设计时能够正确理解条文和条文说明，钢结构公众号（id:steel_construction)在2019年特设专栏刊登《钢结构》编委、17钢标主编王立军大师的系列讲座“17钢标疑难浅析”。

有别于通常对标准的讲解材料和专题报告，本系列讲座的问题直接来源于17钢标的条文及条文说明，通过构想作者与读者共同学习17钢标的场景，发掘出读者在应用17钢标进行设计时即使反复研习了条文和条文说明仍有理不清的那个问题，从标准编制者的角度为读者理清问题的概念、逻辑和关联，打通从标准条文、条文说明到设计应用之间的最后一道屏障。

该系列讲座将每月推送一期，每期刊登三个问题，从第二期开始，我们将刊登读者对前期问题的讨论及作者对讨论的回复,同时也将在钢结构期刊上刊出（本期内容见2019年4月的《钢结构》期刊），欢迎大家关注和留言，就当期内容热情讨论，我们会整理汇总给作者。留言方式见文末。

10 桁架杆件的次弯矩（第5.1.5条，第8.5.1条）

第5.1.5条规定，桁架杆件的轴力计算可采用节点铰接；采用节点板连接，杆件截面为单角钢、双角钢或T形钢时，可不考虑节点刚性引起的弯矩效应；钢管相贯节点，主管节间长度与截面高度或直径之比不小于12、支管杆间长度与截面高度或直径之比不小于24 时，可视为铰接节点；H形或箱形截面杆件的内力计算宜符合本标准第8. 5节的规定。

03钢规第8.4.5条规定，由节点板连接的桁架，当杆件为H 形、箱形等刚度较大，截面高度与其几何长度(节点中心间的距离)之比大于1/10（对弦杆）或大于1/15（对腹杆）时，应考虑节点刚性所引起的次弯矩。可见，杆件的线刚度I/L对次弯矩的影响大，如用h/L表示，因各截面类型I/L与h/L的关系不一致，造成了上述钢管和H形截面的要求不同。

第8. 5节规定，杆件截面为 H 形或箱形的桁架，应计算节点刚性引起的弯矩（次弯矩）。此时杆件端部截面的强度计算可考虑塑性应力重分布。

第8.5.2条进一步规定，杆件截面为 H 形或箱形的桁架，板件宽厚比满足S2级时，截面强度按下列公式计算[1]：

拉杆和短粗的压杆在次弯矩和轴力共同作用下，杆端可能会出现塑性铰，之后，轴力可增大至 N=Afy。从工程角度，弯曲次应力不宜超过主应力的 20% ，否则桁架变形过大。因此当弯矩应力与轴力应力之比不超过20%时，可按式（1）计算，超出时，应考虑次弯矩的影响，按式（2）计算。系数α、β取值见表1。

次弯矩下压杆稳定性计算应按8.2节压弯杆件进行。

11 屈曲约束支撑（BRB）（第17.2.4条）

屈曲约束支撑作为框架-支撑结构的一种支撑类型，有着其他支撑无法比拟的优势。BRB的设计方法可参见JGJ 99-2015《高层民用建筑钢结构技术规程》附录E“屈曲约束支撑的设计”（简称高钢规附录E）。作为一种产品，这里对BRB的设计要求应理解为其应用于所有结构的要求，而不仅限于高层钢结构。

1）BRB设计承载力

见高钢规附录E公式（E.2.2）,

N=Af （3）

设计承载力为BRB的弹性承载力，由于静载、风载与多遇地震设计。

后面的公式均来自高钢规附录E。

2）BRB屈服承载力

Nysc=ηyfyA1 （4）

超强系数ηy考虑了实际供货的屈服强度与屈服强度标准值的超强，BRB按Nysc供货。

3）BRB极限承载力

Nymax=ωNysc （5）

Nymax考虑了钢材的应变硬化，并考虑了受压承载力大于受拉承载力的情况，用于BRB的节点和连接设计。

4）BRB连接承载力

Nc=1.2Nymax （6）

Nc用于BRB连接设计，1.2为超强系数。

5）BRB欧拉临界力

Ncm≥Nyma （7a）

Ncm=π2(αE1I1+KErIr)/Lt2 (7b)

式中：Ncm为内芯外管两部分欧拉临界力之和。

考虑此时内芯已屈服，其弹性模量取强化阶段的值αE1(α=0.02~0.05)，故第一项数值较小。因此，对外管的要求为其欧拉临界力大于内芯的极限承载力

11.2试验

1）两组试验

a.组件试验：考察连接的承载力，验证BRB作为整体的滞回性能。

b.单轴试验：检验BRB内芯外管在拉压反复荷载下的滞回性能。

2）加载循环中核心单元屈服后最大拉压承载力均不低于屈服荷载，且最大压力与最大拉力之比不大于1.3。

3）组件试验加载举例

屈曲约束支撑的试验加载应采取位移控制，对组件试验时控制转动位移。

a.构件轴向屈服变形所对应的转角位移下：3圈(取构件达到屈服点时对应的层间位移角);

b.1/3罕遇地震层间位移角对应的转角位移下：3圈(层间位移角 0.27%) ;

c.2/3 罕遇地震层间位移角对应的转角位移下：3圈(层间位移角 0.54%) ;

d.1 倍罕遇地震层间位移角对应的转角位移下：3 圈(层间位移角 0.80%) ;

e.1.5%层间位移角对应的转角位移下: 3 圈；

f.2%层间位移角对应的转角位移下：3 圈。

12 格构式构件稳定计算（第7.2.3条，第8.2.2条）

这里仅讨论缀条式格构柱。

12.1轴心受压

17钢标第7.2.3条给出了格构式轴压杆整体稳定的计算方法。因剪切变形的影响，对虚轴应采用换算长细比。第7.2.4条要求缀条柱分肢长细比λ1不大于格构柱两个方向长细比较大值λmax的70%，是为保证分肢在虚轴方向的承载力大于格构柱两个方向上的整体承载力。不满足时，应验算分肢在虚轴方向上的稳定。

12.2偏心受压

第8.2.2条给出了弯矩绕虚轴作用的偏心受压格构柱的整体稳定计算方法。式（8.2.2-1）为平面内的整体稳定计算式，平面外的整体稳定由较不利的受压力较大分肢的整体稳定来保证。该分肢进行平面内（沿虚轴）稳定性计算时，长细比λ1对应的计算长度取缀条间距l1；平面外（沿实轴）稳定性计算时，长细比λ对应的计算长度取柱侧向支撑点的距离。

12.3案例

煤棚结构体系采用立体拱桁架,如图1所示。

图1 煤棚结构

拱桁架截面为3根圆管，上部2根、下部1根（这种布置方法主要是考虑拱桁架以截面上部受压、下部受拉为主），由此组成格构式压弯构件。这个构件应验算沿横向桁架平面内、外的整体稳定性。平面内的整体稳定性①按17钢标式（8.2.2-1）计算，计算长度为弧形三管桁架的等效长度。平面外的整体稳定由分肢稳定性来保证，此时只要计算两个钢管组成的压肢轴心受压稳定性即可。两个钢管压肢组成的轴压构件，要计算其双向稳定性，其沿横向桁架平面内的稳定性②计算长度为腹杆间的距离。沿横向桁架平面外的稳定性按双肢格构式构件计算，双肢整体稳定性③计算长度取侧向支撑点（纵向桁架）间的距离。

由此可见，上述拱桁架的计算包括①-③的内容，目前的有限元软件只计算了压杆单肢的稳定性，即②，这显然是不够的。以这样的计算结果进行结果整体屈曲分析，可能会出现①和③对应的杆件屈曲的情况。

综上，采用计算长度法进行结构稳定计算具有不确定性，建议对上述介于平面和空间之间的拱桁架采用直接分析法进行结构的稳定计算。

需要说明的是，上述示例过程仅为说明格构式构件的计算方法。实际上，截面下部的一根圆管也可能受压，此时计算方法应随之调整。

4）格构式压弯杆件整体稳定性公式讨论

17钢标第8.2.2条给出格构柱平面内稳定性计算公式为

其中W1x=Ix/y0

式中:y0为由虚轴到压力较大分肢的轴线距离或者到压力较大分肢腹板外边缘的距离, 二者取较大者, mm。

式 (8) 将03钢规的系数φx改为1.0, 理由见17钢标第8.2.2条的条文说明———“本条对原规范公式进行了修改, 原公式是承载力的上限, 尤其不适用φx≤0.8的格构柱”。

然而, 17钢标格构柱的计算仍沿用03钢规的边缘屈服准则 (见上面y0的计算) 。03钢规关于格构柱平面内稳定性的计算, 正是基于这一准则, 其稳定计算式为:

更为详细的解释见03钢规第5.2.2条的条文说明。

GB 50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》 (简称“薄钢规”) 实腹式和格构式压弯杆件稳定计算式分别为:

式 (10a) 、式 (10b) 对应“薄钢规”中的式 (5.5.2-1) 、式 (5.5.8) , 可见“薄钢规”也是按构件截面边缘屈服准则建立的稳定公式。