我国钢结构设计规范的历史回顾与展望

我国钢结构设计规范的历史回顾与展望

1北京钢铁院的研究20世纪50年代，由于大规模建设项目的需要，建筑部发布了《钢结构设计条例》。它规定了54-54钢结构设计的第一个准分法。该草案以前苏联1946年的规范为编制依据,后因前苏联于1955年颁布了新的钢结构设计规范НйТУ121-55,国家基本建设委员会决定采用以该规范代替规结-4—54,使该草案终未正式使用。20世纪60年代,我国为编制钢结构设计规范,建筑工程部组织北京工业建筑设计院、清华大学、同济大学、哈尔滨建筑工程学院、天津大学、冶金部、第三机械工业部、铁道部等有关设计院等单位着手制订钢结构设计规范,并于1964年完成讨论稿(第五稿),但后来遭到文革的冲击,未能获准颁布。20世纪70年代初,国家基本建设委员会下决心编制自己的国家标准规范体系。由冶金工业部组织北京钢铁设计院会同清华大学、西安冶金建筑学院、浙江大学、天津大学、哈尔滨建筑工程学院、重庆建筑工程学院、冶金建筑科学研究院、建筑工程部北京建筑设计院等10余个单位抽调人员完全脱产,进行规范课题研究和编制工作。于1974年12月由国家基本建设委员会、冶金工业部批准和颁布了TJ17—74《钢结构设计规范》(试行)。74版规范不仅解决了我国钢结构设计问题,而且还培养了一批热心于钢结构设计规范编制的人才,这无疑是我国钢结构发展史上的一个重要的里程碑。74版规范颁布后,由北京钢铁设计院组织全国几十个单位对规范中存在的问题进行了理论和试验研究。经过10余年的努力,获得了100多项有关规范的研究成果,并在此基础上完成了对74版规范的全面修订,于1988年10月由建设部批准和颁布了88版规范,即GBJ17—88《钢结构设计规范》。自20世纪90年代以来,随着我国钢产量的不断增加,建筑钢结构有了飞速的发展,对88版规范提出了多方面的修改要求,1997年建设部发文要求北京钢铁设计研究总院会同国内15家单位成立规范修订组,负责对88版规范作全面修改。2003年4月建设部批准并颁布了2003版GB50017—2003《钢结构设计规范》。2前版本对一些重要内容的开发进行了规范2.1按工作条件系数进行分析模型的分析54版规范采用容许应力设计法,容许应力取为钢材屈服点除以安全系数,要求构件或连接的设计应力不超过容许应力,这是一种基于经验的设计方法。57年到74年间借用前苏联55年版规范,采用三系数的极限状态设计法。三系数为超载系数、匀质系数和工作条件系数,通过对钢材强度和风、雪等荷载的概率分析得到。设计则按承载能力极限状态和变形极限状态进行。这是一种基于半概率半经验的极限状态设计方法。74版规范采用的是以极限状态为依据,经多系数分析后用单一安全系数的容许应力设计法,多系数包括荷载系数、材料系数和调整系数,按数理统计方法结合我国工程实践经验进行分析。这一方法形式上与容许应力法相同,具有表达式简单、概念明确、应用方便的优点,实质上仍是一种基于半概率半经验的设计方法。88版规范采用以一次二阶矩概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系数设计表达式进行计算。该方法考虑了荷载效应与结构抗力联合概率分布对结构可靠度的影响,因此与74版规范相比有很大提高。在规范中采用这一设计方法,在当时国际上也是走在前面的,不愧是一项可喜的成果。2.2酸性转炉钢的性能54版规范推荐采用的钢材为尤0、尤2和尤3钢,其屈服点分别为1900kg/cm2、2200cm2和2400kg/cm2,这些钢材的硫、磷含量均较高,平炉钢时分别为0.055%和0.050%,酸性转炉钢时为0.065%和0.085%。74版规范用普通碳素钢的3号钢与普通低合金钢的16锰钢和16锰桥钢。除了增加低合金钢外,碳素钢的质量要求也有所提高,硫磷含量分别限制在0.055%和0.045%以下。88版规范增加了屈服强度为390N/mm2的低合金钢15MnV钢和15MnV桥钢,进一步提高了钢材的强度。2003版规范变化较大,采用了与国际接轨的质量要求和表示方式,并对钢结构中应用的钢材进一步提高强度,增加Q420钢,使我国钢材的品种和质量基本上能与国际保持对应关系,也能满足我国建设的需求。2.3塑性内力重分配54版和74版规范在结构分析方面均采用一阶弹性即线弹性假定,仅在连续梁内力分析时,允许考虑塑性内力重分配。88版规范将74版规范允许连续梁考虑塑性内力重分配的条款扩展成塑性设计一章,并允许用于不直接承受动力荷载、由实腹构件组成的单层和两层框架结构。2003版规范则在框架结构内力分析时进一步引入了二阶弹性分析和考虑梁柱半刚性连接应采用非线性分析的要求,点出了结构分析今后的发展趋势。2.4计算参数的修改54版规范采用应力比准则计算疲劳容许应力,尽管结构构造情况各异,但采用相同的公式计算。显然这是错误的。74版规范对此作了重大修改,结合试验资料,给出了3号钢和16锰钢19种不同情况的计算参数。88版规范除了把疲劳计算扩展为一章外,为适应焊接结构在钢结构中日趋增多的情况,将疲劳计算改用为国际公认的应力幅准则,与国际接轨,并将连接形式增加到25种。2003版规范则将应进行疲劳计算的应力变化的循环次数降低到大于等于5×104次,同时对不同钢种采用了相同的计算公式和参数。2.5bb的计算历次版本规范采用的受弯构件整体稳定计算公式均相同,按式(1)确定。MxφbWx≤f(1)ΜxφbWx≤f(1)但式(1)中的整体稳定系数φb的计算却有很大的发展。54规范的整体稳定性系数φb采用弹性稳定理论求得,用表格形式查取,对工字形截面,影响参数为受压翼缘侧向支点的间距l与翼缘宽度b的比值和梁高h与受压翼缘厚度tf的比值。74版规范为了使受弯构件整体稳定系数能够正确地符合工字形截面的各种尺寸关系和不同的受载情况,经过弹性稳定理论推导给出了φb的计算公式,完善了φb的计算,扩大了应用范围,提高了计算精度。同时,对中等跨度梁整体失稳时常常处于弹塑性工作阶段的情况,给出了弹塑性阶段的φb。88版规范给出的φb计算公式,其来源虽与74版规范相同,但采用了不同的简化方法,不仅形式上有所改变,而且适用范围进一步扩大,计算准确度也有了进一步的提高。特别是给出的弹塑性整体稳定系数是在考虑了包括初弯曲、加载初偏心和残余应力等缺陷后经过试验研究和数值分析理论推导得到的,比74版规范更为合理。2003版规范沿用了88规范的内容。2.6约束极限承载力理论历次版本规范均采用式(2)计算轴压构件的弯曲稳定性。NφA≤f(2)ΝφA≤f(2)但式(2)中的轴压构件稳定系数φ的计算却有根本性的变化。φ的计算一般用于轴压构件的长细比λ计算,因此常将λ-φ曲线称为柱曲线。54版规范采用单一柱曲线,φ值参考前苏联46版规范确定。74版规范也采用单一柱曲线,在弹性阶段用欧拉曲线,在非弹性阶段,采用试验数据的回归曲线。由于当时试件制造比较严格,因此基本上属于理想轴压构件的切线模量曲线。88版规范对此作了实质性的改变,采用考虑初始缺陷、残余应力等因素后的极限承载力理论。初始几何缺陷用l/1000的初弯曲,残余应力选用了13种模式,对不同截面形式、不同尺寸和不同失稳方向采用数值分析法计算了有代表性的96条柱曲线。将96条曲线的分布带分成三个窄带,取每个带的平均值作为柱曲线,确定出a、b、c三条,并给出了与此三条柱曲线相对应的截面分类表。这三条柱曲线再用最小二乘法拟合成佩利公式表达。这种有别于过去单一曲线的曲线族,常称为多条柱曲线。在规范中采用多条柱曲线的做法,在当时已是走在世界各国的前列。2003版规范增加板件厚度大于40mm的厚壁柱的柱曲线d。2.7截面分类的单轴对策单轴对称开口截面轴压构件易发生弯扭失稳,其稳定承载力比弯曲失稳的小。54版和74版规范都没有给出单轴对称开口截面轴压构件弯扭稳定的计算。88版规范有了改进,考虑了弯扭稳定的计算,但也没有给出计算公式,只是在轴压构件的截面分类表中,将常用的单轴对称截面划入适当的类别,按弯曲稳定计算。这样的处理比较粗糙,有时会偏于不安全。其实我国的冷弯薄壁型钢结构规范早在60年代颁布的《弯曲薄壁型钢结构技术规范》(草案)中给出了单轴对称截面轴压构件弯扭稳定的计算公式。在2003版规范中,对此作了改进,按弹性稳定理论推导后的公式采用换算长细比的方法,进行弯扭稳定的计算,并给出了计及扭转效应的换算长细比计算公式,使弯扭稳定的计算与GB50018—2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》趋于一致。2.8压弯构件承载力极限值的确定54版和74版规范均参照前苏联的规范给出了偏心受压构件平面内稳定的计算公式,采用按(3)的单项式表示。σ=NφpA≤[σ](3)σ=ΝφpA≤[σ](3)式中,φp为实腹式偏心受压构件在弯矩作用平面内的稳定系数,由截面形式、长细比λ、偏心方向和偏心率ε=MN⋅AW1ε=ΜΝ⋅AW1查取。上述计算公式存在某一范围内截面塑性发展过大,不够安全和不便于应用等不足。88版规范对此作了较大修改,首先采用适用于压弯构件的相关公式代替原来的单项式,其次采用数值分析法对11种截面形式、8种长细比、7种偏心率并考虑残余应力和初弯曲等情况进行承载力极限值计算,用以拟合相关公式,使半经验半理论的相关公式有理论根据,并克服了74版规范中的缺点。2003版规范沿用了88版规范的公式。这一修改充分体现了我国的研究成果,具有明显的特色。2.9线性相关公式54版和74版规范也参照前苏联的规范给出了偏心受压构件平面外稳定的计算公式,采用式(4)的单项式表示。σ=Nφ1A≤[σ](4)σ=Νφ1A≤[σ](4)式中,φ1为偏心受压构件在弯矩作用平面外的稳定系数,由构件平面外长细比λy和偏心率ε查取。与平面内稳定相同的原因,88版规范通过弹性稳定理论的推导,并经比较分析,得出了可偏安全地采用线性相关公式。2003版规范沿用了88版规范的公式。2.10受弯构件腹板局部稳定的计算54版规范对受弯构件腹板局部稳定的计算采用基于无限弹性假定的多种应力下的相关临界条件公式,不考虑腹板屈曲后的强度。74版规范通过对相关临界条件的简化和适当考虑屈曲后强度,将腹板局部稳定的计算改为采用直接求出控制腹板局部稳定的加劲肋间距的实用简化方法。此法公式简单,使用方便。同时为了满足实用简化方法不能包含的多种情况的需要,仍将相关临界条件公式列入附录,以备使用。88版规范沿用了74版规范的计算方法。2003版规范对受弯构件腹板局部稳定的计算作了较大修改。首先,为了适应钢结构广泛应用后,受弯构件腹板局部稳定的计算出现各种不同情况的需要,决定仍采用适应性较广的多种应力下的相关临界条件计算,不再采用实用简化方法。同时对相关临界公式作了修改,对公式中的临界应力作了弹塑性修正。其次,增加了腹板考虑屈曲后强度的计算。腹板受弯屈曲后强度的计算采用有效截面的概念,腹板受剪屈曲后强度的计算采用拉力场概念,弯剪共同作用时采用相关公式。修订后的内容与时俱进。2.11高厚比和应力变化率54版规范规定计算受压构件腹板的局部稳定时,腹板边缘的最大压应力σ应符合式(5)要求。σ≤K4[σ](5)σ≤Κ4[σ](5)式中,K4由腹板高厚比htwhtw和应力变化率α=σmax−σminσmaxα=σmax-σminσmax查取。74版规范对轴压构件腹板改用构件与腹板等稳定原则导出计算公式,对压弯构件腹板除根据腹板受力情况外,还考虑翼缘的约束作用和腹板承受一定剪力导出宽厚比的计算公式。88版规范对74版规范作了如下修改:对轴压构件的腹板考虑了翼缘的约束作用,对压弯构件的腹板采用构件与腹板等稳条件并考虑截面中塑性的发展。2003版规范沿用了88版规范的公式。2.12柱的计算长度54版规范只给出了桁架各杆件和交叉支撑压杆的计算长度。74版规范增加了单层工业厂房框架等截面柱、单阶柱和双阶柱各段柱的计算长度。88版规范进一步增加了多层框架柱的计算长度和考虑单阶和双阶柱空间作用后用于计算长度的折减系数。2003版规范则进一步把带支撑的框架分成强支撑框架和弱支撑框架,给出相应的柱计算长度系数。88版和2003版规范增加的内容使钢结构设计规范进一步扩展为各类建筑钢结构的规范,且增加的内容显示了我国自主创新的成果。2.13钢结构平面内连接规范54版规范、74版规范和88版规范均没有关于节点计算的内容。2003版规范根据我国钢结构发展的需要,增加了梁与柱刚性连接的计算和连接节点处板件计算的内容,同时还增加了柱脚的型式和构造要求。这些增加的内容对于提高规范应用范围扩大到高层和大跨度钢结构时的安全性有重要意义。2.14《钢结构章》对高层、超高层和建筑钢结构的影响88版规范增加了钢管结构和钢与混凝土组合梁两章,2003版规范对这两章的内容又作了较多的修改和扩充,在钢结构领域中已经对高层及超高层钢结构和大跨度建筑钢结构的发展起到了明显的支撑和引导作用。所增加的这些内容充分体现了我国的最新研究成果,与国外规范相比毫不逊色,且具有明显的特色。3在钢结构工程实践中,我国钢结构工程实践及指导下的中国特色社会主义发展以符合国际先进水平。在国际上,中国从我国钢结构设计规范历次修订的概况和内容的发展可以看出我国规范的发展是建立在我国钢结构工程实践和科研成果的基础上,有明显的中国特色,而且达到了国际先进水平。3.1技术路线的变化和历史意义我国建筑钢结构的发展大致可分为三个阶段:20世纪50年代为第一阶段;20世纪60年代到70年代为第二阶段;20世纪80年代到21世纪初为第三阶段。20世纪50年代,新中国刚成立,百废待兴,前苏联援助156个建设项目,其中重型工业厂房大部分采用钢结构。钢结构厂房的设计需要,在参照前苏联46版钢结构设计规范的基础上,编制了54版钢结构设计规范以及后来决定直接采用前苏联55版规范。由于没有考虑我国和前苏联在气候条件和当时经济状况的不同,盲目直接采用前苏联的规范致使在工业厂房中形成了“重屋盖、肥梁、胖柱”这种既费料又不经济的笨重结构型式,备受争议。20世纪60年代到70年代我国经济不景气加速了这种笨重结构型式的改变。我国决心编制自己的设计规范,1969年、1974年《弯曲薄壁型钢结构技术规范》(草案)和TJ17—74《钢结构设计规范》(试行)相继编制完成并颁布实施。这是我国经过10余年的社会主义建设,工程界和学术界对钢结构积累的相当丰富的经验和研究成果,这是结合我国国情且具有特色的设计规范。这两本规范的颁布实施不但符合工程实际的需求,而且为钢结构的发展奠定了基础,具有深远的历史意义。20世纪80年代起以经济建设为中心的改革开放政策日见成效,钢结构建筑的发展也呈现出从未有过的兴旺景象,先后出现了网架、网壳、高层钢结构、大跨度钢管结构、轻型门式钢架等结构型式的广泛应用。由此使88版和2003版规范的覆盖范围不断扩大,并在此基础上进一步编制各种专门技术规程,如JGJ7—91《网架结构设计与施工规程》、JGJ61—2003《网壳结构技术规程》、JGJ99—98《高层民用建筑钢结构技术规程》、CECS102:98《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》等10余规程颁布。3.2钢结构构件承载力分析自20世纪80年代以来,在钢结构研究中,应用非线性理论和数值分析方法,反映在规范修订中,使我国钢结构设计规范的水平有明显提高,处于国际先进水平的行列。(1)较全面和深入地研究了残余应力对钢结构构件承载力的影响,对各类受力构件的整体稳定、局部稳定、疲劳等计算赋予了新的内容。(2)采用弹塑性非线性有限元理论研究了构件及节点的极限承载力,通过参数分析,对各类受力构件、管结构节点、板节点和钢与混凝土组合梁等的承载力验算给出了实用简化公式,方便应用。(3)采用非线性有限元理论研究了结构整体承载力的问题,提出了在钢结构设计宜采用二阶非线性分析方法,为钢结构设计方法的根本性改变提出了方向。3.3钢结构专业的研究生学位论文,在规范修订中基自20世纪70年代末我国建立研究生学位制度以来,硕士研究生和博士研究生的数量逐年增加,最近10年增加幅度更大,其中钢结构方向更是结构工程学科的热门。钢结构方向的硕士研究生和博士研究生学位论文的研究课题一般分属两大类:一类是规范中没有明确规定的工程新技术或难题;另一类是与规范发展有关的应用基础理论。这些研究成果在规范修订时都是具有参考价值的材料。88版规范和2003版规范修订的过程充分说明了这一点。由于我国钢结构方向研究生人数众多,研究面极为广阔,研究成果也就必然成为规范内容不断改进和创新的源泉,这已成为我国钢结构设计规范修订的一大特点。3.4国内学者关于规范课题的研究。在这造成的基础上,我国年回顾74版规范编制获得重大成绩的原因在于冶金工业部门于1970年组织全国十余所著名设计院和大学的高工、教授专心从事规范课题的研究。74版规范颁布后,规范管理组又组织全国几十家单位从事100多项规范课题的研究,并据此使所完成的88版规范达到了新的水平,扩大了应用范围,能与国际类似规范媲美。从这两版规范的编修成功,可以看出规范管理部门的尽职管理非常重要,是做好规范编修工作的体制保障。4世博会工程的钢结构设计2003版规范从定稿至今已近10年,这期间我国的钢结构又有了新的发展,特别是北京奥运会工程和上海世博会工程几乎都是钢结构,出现了新的结构