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1、钢结构设计规范 理解与应用,重庆大学土木工程学院 崔 佳,第1章 概 述,1.1钢结构设计规范的历史,解放初期： 1- 46 1955年： 121- 55 1974年： TJ 17- 74 1988年： GBJ 17-88 2003年: GB50017,1.2 设计文件中对材料质量的要求规范规定：设计文件中应注明“采用的钢材牌号，连接材料的型号(或钢号)和对钢材所要求的力学性能、化学成分及其它的附加保证项目。此外，还应注明所要求的焊缝形式、焊缝质量等级、端面刨平顶紧部位及对施工的其它要求。”钢结构设计文件中应注明的这些内容与保证工程质量密切相关，因此将本条确定为强制性条文。,第2章 材 料,2
2、.1 钢结构对材料的要求,1.较高的抗拉强度及屈服点；2.较高的塑性和韧性；3.良好的工艺性能（冷加工、热加工、可焊性）。,2.2 钢材的种类和牌号1. 规范推荐的钢材牌号 普通碳素钢：Q235 (相当于旧标准的3号钢)普通低合金钢：Q345 (相当于旧标准的16Mn、12MnV、14MnNb 16MnRE、18Nb)Q390 (相当于旧标准的15MnV、15MnTi、16MnNb)Q420 (旧标准的15MnVN、14MnVTiRE),钢材的质量等级分A、B、C、D、E级（E级仅用于Q345、Q390、Q420等低合金钢）。钢材的基本保证项目：（1）抗拉强度、屈服点、伸长率；（2）化学成分：
3、硫、磷、锰、碳（Q235-A不作交货条件）；（3）冷弯试验、冲击韧性（+20、0、-20）。第（3）项A级钢不保证，必要时可附加冷弯试验的要求。,规范对用于承重结构的钢材应具有的强度、塑性、韧性等力学性能和化学成分等合格保证项目作出了规定。“ 承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。”,2. 其他可选用或代用的钢材 （1）“高层建筑结构用钢板” YB4104特点：a. 降低硫、磷含量和焊接碳当量；b. 提高屈服点、缩小其波动范围；c. 提高冲击功、增加
4、弯曲试验；d. 保证厚度方向性能到Z35（数字为厚度方向截面收缩率%）。,（2）“Z向钢” GB/T 5313厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的，因而需要采用厚度方向性能钢材。特点： a. 降低含硫量（仅为一般钢材的1/5或以下）；b. 提高截面收缩率（Z15、Z25、Z35）我国建筑抗震设计规范和建筑钢结构焊接技术规程中均规定厚度大于40mm时应采用厚度方向性能钢材。,（3）“优质碳素结构钢” GB699 （4）“桥梁用结构钢” GB/T714 （5）“锅炉用碳素钢和低合金钢” GB713 （6）”船体用结构钢” GB712 （7）“压力容器用钢板” GB6654
5、（8）“耐侯钢” 高耐侯性结构钢GB/T4171焊接结构用耐侯钢GB/T4171 （9）“钢铸件用钢” GB11352符号：ZG-200-400、ZG-270-570,屈服点,抗拉强度,2.4 钢结构的连接材料,1.手工焊焊条E43适用于Q235；E50适用于Q345；E55适用于Q390、Q420。表示焊接电源种类及药皮类型，见表2.11、2.12。,2. 自动（半自动）埋弧焊的焊丝与焊剂焊丝： H08A Q235H08MnA H08MnA Q345 焊剂：431型H10MnSi H10MnSi Q390、Q420H08Mn2Si选用原则：焊缝金属的力学性能不低于母材。,3. 普通螺栓精制螺
6、栓 A、B级普通螺栓的A、B级，根据现行国家标准GB5782-86，其材料不是3号钢，而是5.6级、8.8级和10.9级等。A、B 级螺栓都是以前的“精制螺栓”，质量标准要求相同。A级螺栓用于d 24mm和L（螺栓公称长度）10d或L150mm（按较小值）；d 或L较大者为B 级螺栓。粗制螺栓 C级 分4.6级和4.8级。,4. 高强度螺栓高强度螺栓的性能等级：8.8级、10.9级。,大六角头螺栓,扭剪型高强度螺栓（10.9级）,第3章 基本设计规定,3.1 设计原则,1. 设计方法承载能力极限状态和正常使用极限状态是结构或构件设计及计算的依据，钢结构设计一般采用概率极限状态设计方法。但由于现
7、阶段对疲劳计算的可靠度理论问题尚未解决，所以钢结构的疲劳强度计算只能沿用传统的按弹性状态计算的“容许应力幅”的设计方法，容许应力幅是根据试验结果得到，故应采用荷载标准值进行计算。另外，疲劳计算中采用的计算数据大部分是根据实测应力或疲劳试验所得，已包含了荷载的动力影响，亦不再乘动力系数。,钢结构设计规范对结构或构件承载能力的计算一般采用应力表达式。根据建筑结构荷载规范，当按承载能力极限状态设计钢结构时，对于基本组合，内力设计值应从由可变荷载效应控制的组合和由永久荷载效应控制的组合中取最不利值考虑。钢结构自重较小，一般是由可变荷载效应控制设计，只有当采用钢筋混凝土楼面（或屋面）板或有积灰的屋盖结构
8、以及特殊情况才有可能由永久荷载控制设计。对荷载效应的偶然组合，本规范参照统一标准只作出了原则性的规定，具体的设计表达式及各项系数应符合专门规范的规定。,2. 钢结构的安全等级按照现行国家标准建筑结构可靠度设计统一标准的规定，对破坏后果很严重的重要的房屋，安全等级为一级；对破坏后果严重的一般的房屋，安全等级为二级。由于统一标准是对各设计规范的统一指导，不可能针对各种结构规范给出具体建议。本规范根据对我国已建成的建筑物采用概率统计方法分析的结果，一般工业与民用建筑钢结构，按照统一标准的分级标准，安全等级多为二级，故规定可取为二级。 对于其它特殊的建筑钢结构，其安全等级应根据具体情况另行确定。如对于
9、跨度等于或大于60m的大跨度结构则宜取为一级。,由于本规范定位为不抗震设计，故所有条文均是针对不考虑抗震的情况而制定。当按抗震要求设计时，不再分安全等级，而应按现行国家标准建筑抗震设防分类标准GB50223的规定来确定建筑物的抗震设防类别。,3. 结构的重要性系数0建筑结构可靠度设计统一标准7.0.3条注“对设计工作寿命为25年的结构构件，各结构规范可根据各自情况确定0值”。钢结构设计规范根据工作寿命50年时取01.0，工作寿命5年时取00.9，故规定工作寿命25年时取00.95。,4. 关于吊车荷载的最不利组合88规范在计算吊车梁挠度时对吊车荷载取由两台吊车产生的最不利组合，新规范改为由一台
10、吊车加自重进行计算（相应挠度容许值有所调整）。理由是： 符合“正常使用极限状态”的要求； 与多数国外规范相一致。,3.2 荷载和荷载效应计算,新修订的钢结构设计规范强调了对设计原则的指导。突出设计原则是目前各国规范的共同特点，早期的规范条文以试验或实践经验为主，故条文简单具体。随着结构形式越来越复杂，规范的任务不再仅限于提供计算公式和具体数据，而是应给予设计原则的指导。因此，规范补充了有关设计原则的有关条文。,1. 屋面活荷载新修订的建筑结构荷载规范将不上人的屋面均布活荷载标准值统一规定为0.5kN/m2（原规范分0.3、0.5、0.7kN/m2三级）。对不上人的屋面均布活荷载，较早的荷载规范
11、取0.3kN/m2，后发现对重屋面偏低，74规范改为0.5kN/m2。采用概率极限状态设计法后发现对以恒载为主的结构（混凝土结构）可靠度下降，故又提高到0.7kN/m2。,新修订的荷载规范增加了以恒载为主的不利组合式，屋面活荷载中主要考虑的仅是施工荷载即偶然因素的不利影响，故又恢复到0.5kN/m2。但注明“对不同结构可按有关设计规范作0.2kN/m2的增减”。新修订的钢结构设计规范规定“对支承轻屋面的构件或结构，当仅有一个可变荷载且受荷面积超过60m2时，取0.3kN/m2 ” 。这与原规定有所不同，应注意檩条的计算。对重屋面由于增加了以永久荷载为主的组合，不再提高屋面活荷载。,2.吊车的卡
12、轨力原规范参考苏联规范，对重级工作制吊车梁，将荷载规范规定的横向水平荷载乘以增大系数以考虑由吊车摆动引起的横向水平力（即卡轨力，荷载规范只规定了小车的制动力），现改为按下式计算： HK= Pkmax 式中，Pkmax为吊车轮压标准值；系数0.1（一般软钩吊车），0.15(抓斗、磁盘吊车)和0.2（硬钩吊车）。卡轨力不与横向水平力同时考虑，此外，与吊车工作制及连接无关。,根据起重机设计规范（GB3811-83），按吊车利用等级（即循环次数，分为U0-U9等10级）和载荷状态（载荷谱系数Kp有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1A8级。本规范一般所指轻级工作制即A1A3级；中级为A4
13、A5级；重级为A6A8级（其中A8为特重级）。但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，而应根据吊车的具体操作情况确定。,3.框架结构的内力分析新增有关内力分析的设计原则。一阶弹性分析（几何线形）：按结构变位前的轴线建立结构 变形与荷载之间的平衡关系；二阶弹性分析（几何非线形）：按结构变位后的轴线建立结构 变形与荷载之间的平衡关系。,规范规定 “对 0.1的框架结构（一般指无支撑纯框架结构），宜采用二阶弹性分析”。此处N为所计算楼层各柱轴压力之和；H为所计算楼层及以上各层水平力之和；h为所计算楼层的高度；u为所计算楼层按一阶分析的层间侧移。判断式中 可用层间侧移容
14、许值代替。,（1）采用二阶分析时，应在每层柱顶附加考虑假想水平力（概念荷载）Hni：,式中，Qi为第i楼层的总重力荷载设计值；ns为框架总层数；y为钢材强度影响系数；Q235钢, y =1.0；Q345钢, y =1.1；Q390钢, y=1.2；Q420钢, y =1.25。 等式右端的根号为折减系数，考虑当柱子较多时初始侧移有正有负，缺陷相互抵消。,（2）规范提出了采用二阶弹性分析时杆端弯矩的近似计算方法： M2M1b+2i M1s ； 式中 M1b 、M1s 分别为框架无侧移或有侧移时按一 阶弹性分析求得的杆端弯矩；2i 考虑二阶效应第i层杆件的侧移弯矩增大系数。,框架结构的一阶弹性分析
15、,3.3 设计指标,1. 钢材的强度设计值（1）钢材抗拉、压、弯时的强度设计值为fy /R。R为抗力分项系数，新规范对Q235钢取R =1.087；对Q345、Q390和Q420钢，R1.111。这样对Q345钢来说，比原规范的16Mn（R1.087）强度设计值有所降低。原因： Q345钢包括旧标准的5种钢材，统计资料不足； 近年来发现16Mn钢质量不理想，稍厚（当t 20mm）就容易分层。,（2）钢材的强度设计值与厚度有关，钢材越薄，辊轧的次数越多，强度越高。新规范将钢材厚度增加到100mm（原规范3号钢50mm，16Mn和15MnV钢36mm），这是因为厚板的应用越来越广。其实，厚板的统计
16、资料尚不够充分。（3）钢材的抗剪强度设计值按能量强度理论，取：,（4）端面承压强度设计值由于端面承压强度是验算构件极小区域的压应力，其强度设计值允许超过材料的屈服点而接近其最低极限强度，因此钢材的端面承压强度远远高于一般抗压强度，但此强度设计值只有在构件之间的接触面为刨平顶紧时才能达到。因为现行国家标准规定的钢材的最低极限强度不随钢材厚度而变，所以端面承压强度设计值与厚度无关。,2. 连接的强度设计值连接的强度设计值主要根据过去采用容许应力法计算时的各种容许应力换算而得，其中角焊缝和承压型高强度螺栓有一定数量的试验数据，强度设计值是根据这些试验数据并参考国外规定确定的。经可靠度分析，所有连接的可靠度均大致等于或略高于构件的可靠度。,
