2020-026_钢结构设计标准解说专题——截面等级

1、截面等级钢结构设计标准解说专题（1）原创牛必任从钢结构到装配式钢结构建筑钢结构设计标准（GB 50017-2017）（简称 钢标”）终于发布，各种宣讲也不 少了。笔者无意再面面俱到去把 钢标”条文捋一遍，而是想，就 钢标”涉及的一些 技术要点或者说比较费解的专题进行解说，希望顺带能说清楚，它们的前世今生。钢标”在第3.5节，全新引入了截面板件宽厚比等级（截面等级）的概念。关于截 面等级的涵义、如何理解以及如何应用，存在不少的疑问，钢标”解读的第一个专题，就来说说截面等级（如果较真的话，关于钢结构材料选用，作为原来文章的修 订一一钢结构的材料等级，你知道咋选吗？ ”，已于8月10日在本公众号发布

2、， 现在这个只能算是第二个专题）。一、截面等级究竟是个啥意思？首先从表面上来看，钢构件由板件构成，而截面等级说的就是截面板件宽厚比等级。截面板件宽厚比，按钢标”的条文说明一一截面板件宽厚比指截面板件平直段的 宽度和厚度之比，受弯或压弯构件腹板平直段的高度与腹板厚度之比也可称为板件 高厚比。”需要注意，以往规范中的 宽厚比”和高厚比”两个名词，现在实际上已经 统称为宽厚比”了。截面板件宽厚比，是截面厚实程度的一个度量。从本质上来说，它直接决定了钢构 件的承载力、受弯及压弯构件的塑性转动变形能力（延性耗能能力）。换句话说， 截面等级就是截面承载力和塑性转动能力的表征。因此，从承载力角度来说，截面

3、等级是板件易发生屈曲程度和截面塑性发展程度的度量；从塑性设计和抗震设计角 度而言，是截面塑性转动和延性耗能能力的等级。所以钢标”按照根据截面承载力和塑性转动能力，参考国际标准，将截面分为五个 等级。实际上这比国际上常规分为四个等级的做法多了一个等级，是因为老的 钢 规”中受弯构件一直以来都考虑了塑性发展系数（即可部分发展塑性的截面），因 为这个历史原因，截面增加了一个等级 S3。各级截面对应的性能，实际上 钢标”按照截面受弯的力学性能已经给出了很明确的 描述：S1级：可达全截面阴性*保证物性较具有切性设计要求 的转动能力,且在转动过程中承载力不降低.称为一级塑性截 而，也可称为塑性转动截面;此

4、时图1所示的曲线1可以表示其 弯矩-曲率关系，加一般要求达到塑性弯矩Mp除以弹性初始刚度 得到的曲率外的8倍15倍；S2级截面：可达全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性较 转动能力有限，称为二级塑性截面：此时的弯矩-曲率关系见图 1所示的曲线2. %大约是6P的2倍3倍；S3级截面：翼缘全部屈服，腹板可发展不超过1/4截面 高度的姻性，称为弹盥性截面，作为梁时,其弯矩-曲率关系如 图1所示的曲线3；S4级截面工边缘纤维可达屈服强度，但由于局部屈曲而 不能发展塑性称为弹性截面：作为梁时，其弯矩-曲率关系如 图1所示的曲线4*S5级截面，在边缘纤维达屈服应力前，腹板可能发生局 部屈曲，称为薄壁截面；作

5、为梁时,其弯矩一曲率关系为图1所 示的曲线鼠幺%勾 九 曲率欧图】截面的分类及其转动能力其中尤其需要注意的是，S4级截面，它的界限，是边缘纤维刚好达到屈服的状态, S1S3级截面，能发展截面塑性，而 S5级截面，在边缘屈服未达到时，板件就已 发生局部屈曲，只能考虑有效截面进行计算。钢标”中的截面等级咋确定的?对应欧洲规范EC3的S1S4截面，钢标”将压弯和受弯构彳的截面分成 S1S5五 个截面等级，其中S1、S2为塑性截面，S4为弹性截面，S3为中国规范特有的考 虑一定塑性发展的弹塑性截面，S5为薄柔截面。钢标”的截面等级确定，主要依据板的弹性稳定理论，同时参考了国外规范以及一 些经验值。按照

6、S4级截面描述的边缘屈服同时板件刚好发生局部屈曲这个临界状态，可按弹 性稳定的公式进行板件宽厚比限值（屈服宽厚比）的推导。比如，对工字形截面的翼缘，按三边简支一边自由的板件计算，临界应力达到屈服应力235MPa时板件宽厚比为18.6。按屈服宽厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍 适当取整，作为五个截面分级的宽厚比限值，并给了一个表格来对比说明。表2 各种截面屈曲宽厚比和标准取值比较宽厚比/屈服 宽厚比1.00.50.60. 70, B备 注缘三边支承一边自由ia 469、231L0712. 9214. 77屈曲系数I标准皿值-9111315需要说明的是，0.5、0.6、0.7、0.8

7、和1.1这个系数实际是带有经验性的。S4级截 面按0.8,是考虑了残余应力和几何缺陷等影响，S5级截面本来应该是允许板件弹性屈曲而按照有效截面计算的，但考虑到自由边板件局部屈曲后可能带来截面刚度 中心的变化，从而改变构件的受力，也给了一个限值。腹板的宽厚比（以往习惯叫高厚比），按梁腹板局部屈曲公式推导后的屈服宽厚比 以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，与钢标”实际取的限值对比如图。05屈服高厚比 06屈服高厚比一。7屈服高厚比 0 8屈服高厚比oo ooo 町 000000 43210 9 87 s 54 320：0.0 02 0.4 06 08 10 I 2 14 16 1.8 2

8、.0图2腹板分级的界限高厚比的对比很明显，屈服宽厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，与钢标”实际最终确定的限值并不 完全一样。按照条文说明的解释，考虑到不同宽厚比等级的用途不同，并没有严格 地按照屈服高厚比的倍数：限值大的放宽了，限值小的取得严格了。看一下下表 钢标”最终确定的截面等级及宽厚比限值，部分限值的确定，实际上参 考了欧洲标准EC3（见下表），钢规”塑性设计的腹板高厚比限值（下文还会说） 等。同时需要注意，压弯构件腹板的宽厚比限值参考了EC3,与截面应力分布有关。另外，注5给开了一个口子：S5级截面如果应力较小时，有可作为 S4级截面使 用的可能。鑫机，I氏和爱的件的脑的就件盒厘

9、出尊骚及值柳杵或面机杵塞即比SIW修媪魁场S4/S5ttH股 但血9tbllh心1%如1E .年”tw + M*!(u+ lifd *kk40 +】褊匕 45 + 25 *咻250杓冉 (* 41)植彬 款面赛抗fr_养.叫St1祝甫曾 M而栉厚比 Dt女7闷lOOtj工子后 藏面髯4二_ %凡1片|1%即ffltk 原外抽,吸l?ltb 於。ftft壁板* ran%3%叫叫幽L%为1底Il*th其值力空5寸!叫!4 f号中届点数值的比的半克靠L?A为IV担，H席曲面的撵外怦宽魔，/”.分1是K境厚度，履冷高和R后小度.仃扎XM面.楣板净高界如第M 冷附性过渡姓阳孤巴：林南币戴面，m j分制t

10、r曜莅间的即M和孽板厚才:门先墨I讶敲面外卡：i漏疗抵面凄及单向变均整箱影僦面柱，挂极限便可用据H股面腹幅采用通4翱国的量厚止可通J世置触势帅城小,5当按国家标IIGB*n-20lG窜轨L】*条事？，处t”且拈如低例的4t忖宽厚比小于串 此J 正的旭件宽厚比时 口1/怵C委Mifthh力位力正第孑,* -4秣三、以往规范中有截面等级吗？虽然 钢标”第一次明确提出截面等级的概念并且在第3章就统一给出限值，实际上以往的规范中，还是有一些截面等级的影子。1钢结构设计规范(GB 50017-2003)(钢规”)钢规”关于截面等级(板件宽厚比)的规定分散在受弯、压弯构件的计算及塑性设 计各章节中。比如，

11、对于受弯构件的强度计算，规定如下：袅品一 Wn. -i-W-ll =出. 1.不考虑截面塑性发展系数，翼缘宽厚比限值 15 (Q235),考虑塑性发展系数13(Q235),实际上就是定义了上述的两种截面等级：S4和S3。梁的腹板局部稳定计算，实际上又给出了弹性截面的宽厚比限值。比如，梁的受弯 通用高厚比定义为这个150 (Q235)和130 (Q235)实际上就是弹性截面的腹板宽厚比限值 塑性设计时，要求如下: 氏L 1翔性设计截面板件的宽厚比应符合表仇1.4的规定。表9.1.4板件宽厚比这是作为宽厚比限值的构造要求给出的，看着眼熟不？和钢标”塑性截面的某些宽厚比限值很接近不是？2建筑抗震设计

12、规范(GB 50011-2010)(抗规”)抗规”第8章，作为抗震构造措施，对框架梁、柱的板件宽厚比有如下要求:X.3.2框架梁、柱板件宽厚比，应符合表8.3.2的规定:表8. 3. 2 框架梁、柱板件宽厚比限值板件名称一级二级三级四级柱工字形截面翼绿外伸部分 工字形截面膜板 箱形截面壁板104333H453612483811521401梁工字形截面和箱形截 而翼绿外伸部分991011箱形截面翼壕在 两腹板之间部分3fl|301i 一3236工字形截面和 箱形截而腹板72-120/(Af)*6072-lOONb1 /(A/) 6580-U0Nb i 15n (7085 120JVh / 这75

13、注11发列数值适加于Q235钢，采用其他牌号钢材时.应乘以7235777-2 NJGA为梁轴压比口虽然没有明确说截面等级，但实际上就是截面延性的要求或者等级，本质上和钢标”截面等级是一回事，表达塑性较的塑性转动耗能能力。但是上述的要求是根据抗震等级来提的，强制性要求钢结构框架都得延性耗能，同 时要求延性构造，控制板件宽厚比 一一烈度大地震作用大就严一点，和 钢标”的抗 震设计概念不同（后续的专题会专门讨论）。抗规”第9章，单层钢结构厂房和多层钢结构厂房中的单层及不超过 40m的，有 如下的规定：9.2.14厂房框架柱、梁的板件宽厚比，应符合下列要求，1重屋盖厂房，板件宽厚比限值可按本规范第8.

14、 3. 2条的 规定采用，7、8、9度的抗震等级可分别按四、三、二级采用口2轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载 力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外的板件宽厚比限值，可 采用现行钢结构设计规范GB 50017弹性设计阶段的板件宽 厚比限值。注：腹板的宽厚比，可通过设置纵向加劲肋减小.并在条文说明中给出了三类截面等级A、B、C:当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力2倍多遇 地震作用卜的要求.1%eTw R作性时，可采用现行钢结构设计规范GB 50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值, 即（；类当强度和稳定的承载力均满足中等承载力-L5倍多 遇地震作用下的要求+时，可按表6中B类采

15、用*其他情况，则按表6中A类采用.表6柱，梁构件的板件宽比限值构甘板件名称A类B类柱【形截面算绿岫1012腹板筋W44j50箱形截面壁板,底板间翼缘3337腹板卜口*4418园形截出外径壁厚比D/t5070粱I形截面翼缘切t91腹板加，心6572箱形截而腹板间具蜂b/i3036感板S572注：袋列数值话用于Q2351H.当材料为其他钢号时.除圆管的外径壁厚比应重以235/4外,其余戊果以侬577；A, B, C三类宽厚比的数值，系参照欧,日、美等国家的 抗震规范选定，大体上，A类可达全截而塑性H塑性较在转动 过程中承载力不降低；B类可达全截面塑性，在应力强化开始前 足以抵抗局部屈曲发生，但由于

16、局部屈曲使塑性较的转动能力有 限。C类是指现行钢结构设计规范GB 50017按弹性准则设 计时腹板不发生局部屈曲的情况，如双轴对称H形截面翼缘需 满足 W5/235/ 受弯构件腹板需满足72/235/y/i0/rw 13072357；,压弯构件腹板应符合钢结构设计规范GB 50017-2003 式（5.4.2）的要求中腹板宽厚比限值的72 （Q235）和130 （Q235）,实际上沿用了塑性设计和梁腹板 弹性屈曲的数值。抗规”第9,2节这些规定，实际上是 钢标”第3章截面等级以及第17章钢结构抗 震性能化设计”的前身和影子。四、设计中如何应用截面等级？截面等级实际上和构件承载力以及抗震设计密切相关。稍微翻一下钢标”就能看到,截面等级在构件强度计算的各章以及第 17章钢结构抗震性能化设计”中都出现了, 甚至可以说它串起了各章节。这也是为什么第一个专题要说它的原因。设计中怎么 用，很难一两句话说清楚，在