对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善标准与规范对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善陈炯(32海宝钢工程技术有限公司上海20190O)摘要在文献[1]的基本思路和初步结果的基础上,对钢结构中按弹性准则设计的截面,根据腹板屈曲与否对其进行分级;改进,完善和细化了框架截面等级与地震作用取值的对应关系,使之更趋合理;给出了各等级截面的框架以众值烈度地震作用效应表达的地震组合设计式,使实际应用更为方便.关键词抗震钢框架截面等级板件宽厚比地震作用设计取值COMPLEMENTToLIMITINGWIDTH—THICKNESSRATIOSoFEARTHQUAKE—RESISTANTSTEELFRAMESANDCoRRESPoNDINGDESIGNSEISMICACTIoNSChenJiong(ShanghaiBaosteelEngineering&TechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201900)ABSTRACTBasedonthebasicphilosophyandprimaryresultsfromstandardsandcodes,thesectionforelasticdesignisclassifiedaccordingtowhetherthewebplatebucklesornot.Thec0rrespondenceofthesectionalclassandseismicactionisrevisedandcomplementedtomakeitmoreappropriate.Seismicaction~ombinationsaccordingtoframeswithdifferentwidth-thicknessratiosareexpressedusingtheminorearthquakeaction,asmakesthemmoreconyenientforpracticalengineeringapplication.KEYWORDSearthquake-resistantstee1framesectionalclasswidth-thicknessratioseismicactiondesignedseismicaction0引言现代结构抗震设计,广泛流行依靠非弹性作用耗散地震输入能量的理念口].由于材料延性不能单独用来估计结构耗散地震输入能量的能力,因此,构件延性取决于截面延性和材料延性.地震作用延性折减系数,则主要取决于结构类型,截面和构件的局部延性.鉴于以截面层次考虑延性可正确地预估延性损失,设计规范通常按照截面延性作出规定.欧洲规范EC3_3正是基于截面的特征(板件宽厚比,应力分布)和静力性能将截面划分为4个性能等级的.显然,钢构件的截面性能等级(以板件宽厚比表示)是反映钢结构延性性能的关键要素之一,国际主流抗震规范大都采用截面性能等级与设计地震作用挂钩的方式.文献[1]在与BCJc,EC8[比较的基础上,初步提出了截面等级所对应的地震作用取值.但文献[1]对弹性设计截面的情况未作清晰陈述,与截面等级对应的地震作用取值偏保守,对设计应用的表述过于曲折.因此,本文在文献[I]基本思路的基础上,补充整理相关资料,试图细化,完善和改进文献[1]在上述三方面的内容.1弹性设计截面的性能等级根据《钢结构设计规范》(GB50017—2003)¨6](简称"GB50017规范"),执行弹性准则设计的截面(本文只阐述H形截面)的板件宽厚比如下.1)受弯构件:翼缘bit≤15~/235/厂(1a)腹板h0/t≤250(1b)"GB50017规范"要求,对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的梁宜考虑腹板屈曲后承载力,对于吊车梁等直接承受动力荷载的构件采用局部稳定验算,并应按规定设置加劲肋."GB50017规范"对直接承受动力荷载的规定主要是针对简支梁的.《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)[7(以下简称"规程"),考虑到轻型门式作者:陈炯男1962年11月出生高级工程师Email:jiongehen@baostee1.corn收稿日期:2008—08—2O44钢结构2008年第12期第23卷总第114期陈炯:对抗震钢框架板件宽厚比限值与相应的地震作用设计取值的细化和完善刚架这类特定的建筑,刚架柱所受的轴向压力较小而主要由弯矩控制截面受力的特征,梁柱皆取用受弯构件的板件宽厚比限值,即式(1)的规定.2)压弯构件:翼缘b/t≤15~/235/(2a)腹板当0≤.≤1.6时,^o/￡≤(16a.+0.5+25)~/235/(2b)当1.6≤口0≤2.0时,h0/t≤(48a.+0.5一26.2)4235/fy(2c)o一(1一i/a)(2d)式中:%为腹板计算高度边缘的最大压应力;O'mi为腹板计算高度另一边缘相应的应力,按压正拉负取值.为柱弯曲平面内的长细比,<30时取30,>100时取100.当压弯构件腹板./￡不符合式(2b),式(2c)的要求时,需设置纵向加劲肋加强,或考虑腹板屈曲后承载力."GB50017规范"规定,当翼缘b/t≤13?时,可取截面塑性发展深度系数y>1,即可考虑截面进入部分塑性进行设计.这是我国特有的做法.为简化,本文把这种情况也并人弹性设计截面的范畴讨论.当梁翼缘外伸部分的板件宽厚比b/t=::15?万(完善板b/t一17)时,其边缘纤维的最大应力可达钢材的屈服强度.这是按弹性准则设计时保证受压翼缘局部稳定所必须满足的限值条件.我国习惯上不容许受压翼缘进入局部屈曲,而有的国外规范的翼缘板件宽厚比限值则较大.对于腹板,"GB50017规范"中按弹性准则设计的截面,涵盖了腹板不屈曲的情况和利用腹板屈曲后强度的情况.由于这两种情况的截面延性性能差异较大,所以需区分对待.利用屈曲后承载力的截面,即所谓的超屈曲设计截面.以板件情况分,这类截面通常称为薄柔截面.对于截面最大应力达屈服点时,腹板不发生局部屈曲的截面,本文称为弹性设计(腹板不屈曲)截面,也就是通常所说的半厚实截面.1.1弹性设计(腹板不屈曲)截面1.1.1板件宽厚比限值根据"GB50017规范",双轴对称H形截面的受弯腹板,当受压翼缘扭转未受约束时h./t≤130?~/235/,或受压翼缘扭转受约束时h./t≤150?~/235/,腹板边缘应力达屈服强度前不发生屈曲.如果不考虑板件残余应力和几何缺陷,则受压翼缘扭转未受约束时h./t≤153~/235/,v,受压翼缘扭转受约束时h./t≤177,//235/,,腹板边缘应力达屈服强度前不屈曲.刚接框架梁端剪力最大,弯矩亦很大,因此不再适宜考虑翼缘对腹板的约束作用.当不设横向加劲肋时,腹板宽厚比^./≤68~/235/,v为塑性受剪屈曲范围.对于理想弹塑性板,则塑性和弹性受剪屈曲的界限值为h./t≈85~/235/.厂v.设置横向加劲肋可有效地防止受剪屈曲.就H形截面梁,考虑到发生弯扭屈曲可导致其延性急剧降低的特征,本文取板件宽厚比满足b/t≤5√235/f焉72√235ff<二ho/t≤,,130√235ff的截面,为弹性设计(腹板不屈曲)截面,以E1表示其性能等级.当然,如上下翼缘皆有可靠约束防止扭转,则E1级截面的h./t上限值可取为150?.对于H形截面框架柱,E1级截面至少需满足式(2)的要求.1.1.2延性性能E1级截面的板件宽厚比与EC3的3级截面基本相当,也与AIJ—LSDIs]的S一Ⅲ结构采用的P一Ⅲ级板件相近.AIJ—LSD指出,S一Ⅲ结构(板件P一Ⅲ,L一Ⅲ,C～Ⅲ.L一Ⅲ由梁的长细比决定,C一Ⅲ由柱的轴压比和长细比确定)不适宜采用塑性分析,不期待构件的塑性变形能力,但结构仍然可能具有与弹性变形同等的塑性变形能力.在结构极限承载力验算时,AU—LSD取s一Ⅲ结构及其构件的塑性变形能力都为1.0～1.2.根据文献[9],宽翼缘截面(与E1级截面大致相当)的塑性变形能力大约是屈服点变形能力的1.15倍.宽肢薄腹H形截面钢柱的试验[1表明,延性指标/一1(为试件开始屈服的位移;6m为对应极限承载力的位移)普遍可达1以上.薄柔高频焊接H钢柱试验表明[1,延性指标(/.一1)仅略大于l而不足2.经比较,这些试验钢柱的截面可归属E1级.综合这些构件延性试验结果,如果取/一1=1～1.2,则可估算由延性因素所致的地震作用折减系数C===0.45～0.50(等位移原则).这与AIJ—LSD赋予S一Ⅲ结构的结构特征系数D.一0.45t0.5相当.理论上,可以采用上述延性折减系数折减基本Stee1Construction.2008(12),Vo1.23,No.11445标准与规范设防烈度的弹性谱为采用E1级截面的结构的设计谱.但考虑到我国钢结构抗震经验不多,所以采用与国外规范对比得到对应地震作用的方式.1.2超屈曲设计截面1.2.1板件宽厚比限值H形受弯构件的截面板件宽厚比为b/t≤15?~/235/,130~/235/<ho/t≤250时,弹性设计时需考虑腹板的屈曲后强度(如上下翼缘皆有可靠约束防止扭转,h./t的下限值可取为150?丽).对于压型钢板围护的轻型门式刚架,由于刚架柱受力也主要取决于弯矩,所以可取用上述受弯构件的截面板件宽厚比限值.这类所谓的超屈曲设计截面,以E2表示其性能等级.1.2.2延性性能E2级截面与EC3的4级截面相当.根据文献[-12]报道的标准梁构件试验结果,4级截面梁的延性很低.如果翼缘采用1级截面的b/t限值,而腹板采用4级截面的h./t限值,其延性也很低.双拼"]["形冷弯薄壁型钢梁(属4级截面)也有少量延性.所以,在一定条件下,4级截面可用于抗震钢结构的耗能区,欧洲现行规范并不禁止使用,如EC8取g≤1.5的DCL结构.显然,由于E2级截面的抗震性能差,仅适用于轻型门式刚架和一,二层的低层轻型钢结构住宅别墅建筑.2截面等级与地震作用设计取值的对应关系2.1各规范间截面等级相应的板件宽厚比限值比较为便于比较,摘录BCJ和AIJ—LSD的截面等级及板件宽厚比限值,结构特性系数D.,EC3/EC8的截面等级及主要的板件宽厚比限值,性能因子q列于表1.由于各国制定规范的具体做法不尽相同,其截面等级的分类限界也有所不同.由表1可见,BCJ和EC3各截面等级的板件宽厚比限值表达方式不同,且限值有一定差异.相对于EC3,BCJ对腹板的h./t限值控制很紧,对翼缘b/t限值则放得较宽.显然,两者考虑问题的着重点不同.BCJ与EC3对梁腹板h./t限值的规定相差较大.就BCJ的FA,FB,FC级截面,其h./限值,总体上接近框架梁端塑性和弹塑性受剪屈曲的界限值(h./t≈68~/235/.厂v).EC3的1级截面,h./t的上限值与BCJ的FC级截面的相同,也与"GB50017规范"塑性设计截面的相同;EC3的2级截面(厚实截面),其h./t上限值,则接近不考虑板件几何,力学缺陷的塑性和弹性受剪屈曲的界限值h./t≈85?~/235/,v.EC3的3级截面(半厚实截面。