淺談現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的應(yīng)用局限

1、1、常用規(guī)范國內(nèi)的結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，所用到的指導(dǎo)性的規(guī)范主要有以下幾類：鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范GB50018-2002網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程JGJ7-91網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ61-2003高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ99-98型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ138-2001門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程CECS102-2002當(dāng)然，設(shè)計(jì)中真正要用的還有諸如荷載規(guī)范以及抗震規(guī)范等等相關(guān)的資料。而最主要的是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003，目前也到了新舊規(guī)范交替的時(shí)候了，新規(guī)范的報(bào)批稿將于2011年出臺，因此有必要對現(xiàn)行規(guī)范

2、在具體的工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題做一些總結(jié)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范早先是由冶金工業(yè)部組織編纂的，因?yàn)殇撹F材料（當(dāng)時(shí)也稱黑色金屬）的產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)歸口在冶金部，而且冶金部所屬的也有較大規(guī)模的綜合設(shè)計(jì)院以及建設(shè)施工單位，具備編纂鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范系統(tǒng)的資料及人才。當(dāng)時(shí)的鋼結(jié)構(gòu)主要用在工業(yè)建筑中，而且編纂規(guī)范的結(jié)構(gòu)方面技術(shù)專家所從事的研究著重于重型冶金工業(yè)廠房，因此，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中總有著工業(yè)建筑的影子，比如關(guān)于受彎構(gòu)件的研究針對簡支吊車梁。隨著鋼結(jié)構(gòu)在民用建筑中的廣泛采用，受彎構(gòu)件不單純是簡支吊車梁，用吊車梁的受力特性來代表所有受彎構(gòu)件，明顯存在很多問題。如果從今天的角度來看，或者說假如鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范現(xiàn)在來規(guī)劃的話，可能會有

3、不一樣的內(nèi)容，當(dāng)然前提是沒有以前規(guī)范的框架擺在你眼前。我們希望新版規(guī)范能跳出從前的框架，有不一樣的作為，而不僅僅是修修補(bǔ)補(bǔ)。下面介紹近年實(shí)際工作中所遇到的一些困惑，希望編制者能從應(yīng)用者的角度提出一個(gè)嶄新而實(shí)用的新版規(guī)范。2、現(xiàn)有規(guī)范存在問題2.1構(gòu)件截面方面由于鋼結(jié)構(gòu)最初面向的主要是工業(yè)建筑，因此基本構(gòu)件的截面類型是熱軋型鋼、H型鋼和鋼管，設(shè)計(jì)計(jì)算用到的系數(shù)和公式，也都局限于這些截面類型。圖1新型組合截面隨著大量的諸如體育場館、展覽館等公共建筑的建設(shè)越來越頻繁地采用大跨鋼結(jié)構(gòu)以及像相貫線切割機(jī)等制作加工設(shè)備的日益成熟，有著流暢相貫節(jié)點(diǎn)的管桁架結(jié)構(gòu)越來越多的被建筑師采用，03規(guī)范也適時(shí)地增加了一

4、節(jié)關(guān)于管桁架的內(nèi)容。桁架結(jié)構(gòu)體系中，桿件主要受拉壓，因此圓管截面是常用的形式，但在某些特殊情況下，如存在較大的節(jié)間荷載時(shí)，需要構(gòu)件具有一定的抗彎性能，那么如圖一所示的兩種截面肯定是不二的選擇，而且第二種截面還結(jié)合了檁條的功用。此二類截面僅僅是從管桁架結(jié)構(gòu)體系中衍生出來的，在實(shí)際工程中的組合截面形式層出不窮，那么，現(xiàn)在就有一個(gè)很簡單的疑問，作為受彎構(gòu)件，我們該如何給出它的整體穩(wěn)定系數(shù)φb？我們的規(guī)范只有非常有限的幾種截面形式有對應(yīng)的計(jì)算公式，對新出現(xiàn)的組合截面形式就會感到束手無策，而一味地依賴結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件的人根本不會留意這個(gè)問題，讓它通過卻留下了隱患。還有一些常用的截面形式也

5、被忽視了，那就是十字柱以及相近截面。2.2基本構(gòu)件的計(jì)算公式對截面的覆蓋范圍局限關(guān)于基本構(gòu)件的計(jì)算公式，這里舉一個(gè)雙向彎矩作用下的實(shí)腹式壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算公式，就可以說明問題。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003的5.2.1條的公式如下：圖2十字形截面柱如果不假思索地將公式5.2.1應(yīng)用到上圖的十字形截面中，你所得到的應(yīng)力會是四個(gè)角點(diǎn)位置上的值，但是截面在該處是空的。如果用幾個(gè)你常用的軟件來算算這樣的截面，看看結(jié)果，就會發(fā)現(xiàn)有多大的誤差。這個(gè)例子說明一個(gè)問題，那就是規(guī)范條文的編制者，在解決某一個(gè)或者某一類問題時(shí)，思想中有一個(gè)隱約的限制條件，這里的情況似乎就是，我只要解決工字形和箱型截面就行了

6、。這一點(diǎn)在條文5.2.5中也可以得到證實(shí)，所列穩(wěn)定性的公式僅用于雙軸對稱的實(shí)腹工字形和箱型截面的壓彎構(gòu)件。2.3計(jì)算公式的適用對象如今手寫計(jì)算書的時(shí)代一去不復(fù)返了，但這樣的事實(shí)也給結(jié)構(gòu)計(jì)算以及規(guī)范編制的指導(dǎo)原則帶來一定的影響。原來很多計(jì)算公式的實(shí)用性（包括一些計(jì)算參數(shù)的選擇），肯定會顧及到應(yīng)用者手算的可行性。實(shí)際上，很多的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊甚至將公式在一定范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果制成可查閱的表格，從而給結(jié)構(gòu)工程師在具體工作帶來快捷和方便。對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的過分依賴，造成了目前所遵循的計(jì)算公式的適用對象似乎不是結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)考慮的問題，而是由軟件來自行判斷。實(shí)際上，研究與應(yīng)用應(yīng)該屬于兩個(gè)層面的問題。對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件

7、過分依賴的另一個(gè)惡果是，我們甚至無法驗(yàn)證結(jié)果的正確性。一方面軟件的使用者僅僅看最后的計(jì)算結(jié)果是十分危險(xiǎn)的，一個(gè)簡單公式的應(yīng)用都有很多的前提條件，一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析以及構(gòu)件的驗(yàn)算要考慮的東西更多。無論是使用者對條件的理解與軟件本身有差別，或是軟件本身編制所考慮的問題不周密，都會造成結(jié)果的錯(cuò)誤。所以結(jié)構(gòu)工程師千萬不要看到計(jì)算結(jié)果通過就認(rèn)為萬事大吉。另一方面，作為專業(yè)軟件開發(fā)方，如果不能嚴(yán)密地解決某一個(gè)問題，一定要清楚地說明其適用的范圍，所提供的計(jì)算文檔一定要有詳盡的計(jì)算過程，以備軟件使用者的校核。然而現(xiàn)實(shí)的軟件一般提供的計(jì)算書均非常簡略。2.4受拉構(gòu)件的端部傳力驗(yàn)算對于受拉構(gòu)件，現(xiàn)行規(guī)范和手冊考慮

8、的內(nèi)容似乎都非常簡單，均歸于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003公式5.1.1-1還有關(guān)于摩擦型高強(qiáng)螺栓最外列處的驗(yàn)算，考慮了摩擦力的孔前傳遞的影響。條文說明中只是一筆帶過，不很清晰。而翻開美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會AISC的ASD和LRFD，我們可以發(fā)現(xiàn)，針對受拉構(gòu)件，特別對端部連接處的驗(yàn)算有著非常詳盡的內(nèi)容，比如有效凈截面驗(yàn)算，包括判斷不利凈截面位置準(zhǔn)則、有效截面系數(shù)的取值，以及端部受剪塊驗(yàn)算等等。在我們“國標(biāo)”設(shè)計(jì)的規(guī)范中能體現(xiàn)有效截面概念的大概只有設(shè)計(jì)原則中，如關(guān)于角鋼單肢連接按軸心受力計(jì)算強(qiáng)度時(shí)，對強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行0.85的折減。仔細(xì)考慮起來，上述問題確實(shí)常常被設(shè)計(jì)者所忽視，因此，規(guī)范有必要增加

9、一些相應(yīng)的計(jì)算規(guī)則。2.5CECS102-2002規(guī)程中柱計(jì)算長度系數(shù)在設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)門式剛架時(shí)，某些柱的計(jì)算應(yīng)力很低，但長細(xì)比卻大大地超標(biāo)。比如圖3所示中跨為36m，邊跨為6m的鋼結(jié)構(gòu)輕型門式剛架。圖3門式剛架立面從內(nèi)力結(jié)果你可以看出邊柱的軸向壓力很小，而從構(gòu)件驗(yàn)算中則有邊柱的長細(xì)比非常之大。究其原因會發(fā)現(xiàn)該柱的計(jì)算長度系數(shù)異常。一路找下去，一直找到規(guī)程中關(guān)于柱在剛架平面內(nèi)的計(jì)算長度的計(jì)算公式，也就是為所求柱的豎向荷載，根據(jù)公式可以看出，當(dāng)該柱的豎向荷載很小，極端情況為時(shí)，按上述公式得到的計(jì)算長度系數(shù)自然是無窮大。那么公式中的“豎向荷載”在具體設(shè)計(jì)中究竟應(yīng)該取什么值，文獻(xiàn)1認(rèn)為將&lsq

10、uo;規(guī)程’規(guī)定為第i根柱所承受的豎向荷載處理成第i根柱在各種工況組合下所承受的最大軸向壓力，但問題是所計(jì)算柱在某一種工況組合下的穩(wěn)定應(yīng)力，求該穩(wěn)定應(yīng)力所用到的長細(xì)比竟去用另一種工況組合的計(jì)算長度顯然不合適，而且，假使這種處理方法可行，依然會找到最大軸向壓力接近0的柱，如前面提到的例子。究其原因，規(guī)程條文說明中指出，該公式是參照美國標(biāo)準(zhǔn)AISC鋼結(jié)構(gòu)房屋荷載和抗力系數(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范，作者查閱了LRFD（1999）的相關(guān)章節(jié)。涉及受壓構(gòu)件的最重要的是穩(wěn)定問題，而除荷載以外的跟穩(wěn)定有關(guān)的是“長細(xì)比”這個(gè)參數(shù)，計(jì)算長細(xì)比是要用到“計(jì)算長度”可以說是基本參數(shù)中最為玄妙的，與它相關(guān)的基準(zhǔn)參

11、照是上下均為不動(dòng)鉸的情況，這時(shí)的幾何長度即為計(jì)算長度，其他情況下的計(jì)算長度，通過幾何長度乘以一個(gè)系數(shù)，該系數(shù)稱為“計(jì)算長度系數(shù)”，就是上面提到的的計(jì)算公式是屬于考慮P-D效應(yīng)的方法。所謂考慮P-D效應(yīng)是屬于二階效應(yīng)，也就是柱頂在一階分析荷載下有了水平側(cè)移D，而作用在柱頂?shù)拇怪绷σ廊淮嬖?，那么此時(shí)必然有一個(gè)P.D的附加彎矩，公式中的側(cè)移剛度等體現(xiàn)了P-D的二階效應(yīng)的影響，而讓設(shè)計(jì)者感到茫然的公式分母中的。這是基于一個(gè)假定：“結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模式基于結(jié)構(gòu)同一層柱同時(shí)按相同模式對稱或反對稱失穩(wěn)”。這就造成無軸向壓力柱必須計(jì)算長度非常大才能滿足這一假定。其實(shí)將結(jié)構(gòu)的整體失效通過單個(gè)受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)來體現(xiàn)，是常用設(shè)

12、計(jì)方法，雖然在很早以前設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)了其中的問題，但問題一直沒有解決。我們在具體的計(jì)算工作中，篤定地應(yīng)用著這些簡化的公式，但細(xì)細(xì)想過它們背后的簡化假定條件，還有推導(dǎo)這些公式的荷載假定，不免還是有些悚然。同樣的問題在其它方面也存在，比如階形柱的計(jì)算長度系數(shù)，特別是高低跨交界處階形柱計(jì)算長度系數(shù)，相信其他設(shè)計(jì)者也發(fā)現(xiàn)了一些問題，作者在此不再展開。當(dāng)然，技術(shù)工作者也還在尋找一些新的解決方案。2.6節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算設(shè)計(jì)方法也是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，在前文提到新的截面形式，自然也會有相關(guān)的節(jié)點(diǎn)形式出現(xiàn)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者的規(guī)范已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日常工作的需求。下面筆者給出一些實(shí)際工程中遇到的問題：1)對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)而言，剛性柱腳的設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)，然而目前設(shè)計(jì)者所能參考借鑒的有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)剛接柱腳的設(shè)計(jì)方法基本上都是傳統(tǒng)的平面結(jié)構(gòu)體系下延續(xù)過來的，只能考慮一個(gè)方向的彎矩作