中歐鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力計(jì)算規(guī)范比較

劉　曉　劉振華

（中國(guó)寰球工程公司，北京 100029）

中歐鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力計(jì)算規(guī)范比較

劉曉劉振華

（中國(guó)寰球工程公司，北京 100029）

本文針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)典型的軸心受力構(gòu)件，運(yùn)用中國(guó)和歐洲的規(guī)范，從原理及計(jì)算方法上進(jìn)行比較，為海外項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

鋼結(jié)構(gòu)；受彎構(gòu)件；歐洲規(guī)范

隨著中國(guó)建筑企業(yè)技術(shù)的提高，國(guó)際業(yè)務(wù)的拓展，承接越來(lái)越多的海外項(xiàng)目漸成趨勢(shì)。對(duì)于土建專業(yè)來(lái)說(shuō)，掌握國(guó)外規(guī)范成為一項(xiàng)當(dāng)務(wù)之急。其中歐洲規(guī)范在歐洲以及新加坡，馬來(lái)西亞等英聯(lián)邦國(guó)家有廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)基本受力鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)兩種規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，并列出基本算例，驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論。

1.軸心受拉構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算

1.1歐洲規(guī)范BS EN 1993-1-1∶2005計(jì)算方法介紹

歐洲規(guī)范條款6.2.3中通過(guò)考慮以下兩種情況，取較小值作為構(gòu)件受拉承載力：

按毛截面計(jì)算：

按凈截面計(jì)算：

其中γM0取為1，γM2取為1.25。對(duì)于C型鋼和只有一個(gè)角肢連接的角鋼受拉強(qiáng)度計(jì)算另有詳細(xì)的規(guī)定。

1.2中國(guó)規(guī)范GB50017-2003計(jì)算方法介紹

軸心受拉構(gòu)件一般是按“毛截面屈服”和“凈截面拉斷的準(zhǔn)則”進(jìn)行計(jì)算的。由于斷裂的后果比屈服更為嚴(yán)重，為了方便設(shè)計(jì)，我國(guó)規(guī)范對(duì)有孔拉桿按凈截面屈服進(jìn)行計(jì)算。

中國(guó)規(guī)范按凈截面屈服計(jì)算，而歐洲規(guī)范按毛截面屈服和凈截面拉斷進(jìn)行計(jì)算。僅從公式上看，不易看出軸心抗拉強(qiáng)度計(jì)算哪個(gè)規(guī)范更偏于安全。

2.軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定強(qiáng)度計(jì)算

2.1歐洲規(guī)范計(jì)算方法介紹

2.1.1鋼構(gòu)件截面分類

歐洲規(guī)范根據(jù)受壓區(qū)的寬厚比，分為四大類：一類（塑性截面），二類（緊湊型截面），三類（半緊湊型截面），四類（細(xì)長(zhǎng)型截面）。

近海海洋工程領(lǐng)域一般選擇3～30 s周期范圍內(nèi)的波浪計(jì)算應(yīng)力響應(yīng)譜。其做法是將應(yīng)力傳遞函數(shù)H的平方與相應(yīng)波能譜S(ω)進(jìn)行相乘，得到應(yīng)力響應(yīng)譜Sσ(ω)。對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)，波浪力的計(jì)算一般采用Morison 公式，但是由于單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)直徑比導(dǎo)管架等其結(jié)構(gòu)形式的直徑要大很多，一般可達(dá)5～8 m，因此在利用Morison公式時(shí)，有必要分析其適用性。

2.1.2計(jì)算方法

規(guī)范定義了受壓構(gòu)件的有效長(zhǎng)度：桿件在平面內(nèi)可以有效防止失穩(wěn)的位置約束或方向約束點(diǎn)間的距離，約束應(yīng)有充分的強(qiáng)度和剛度以阻止約束點(diǎn)的位置或方向上的運(yùn)動(dòng)。

式中：NEd為抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Nb，Rd為屈曲承載力設(shè)計(jì)值。

前三類截面不考慮板件局部屈曲的影響，認(rèn)為構(gòu)件截面全截面有效：

當(dāng)板件寬厚比足夠大，截面屬于第四類截面時(shí)，需考慮局部屈曲的影響，進(jìn)行有效面積的計(jì)算：

當(dāng)考慮構(gòu)件整體穩(wěn)定時(shí)：

第一，二，三類截面。

2.2中國(guó)規(guī)范GB50017-2003計(jì)算方法介紹

軸心受壓構(gòu)件強(qiáng)度與軸心受拉相同，但通常整體穩(wěn)定是確定截面的最重要因素。由于桿件失穩(wěn)是沿全長(zhǎng)彎曲，部分截面中孔眼削弱的影響很小，故不予考慮。計(jì)算公式如下：

φ=σcr/fy為軸心受壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定系數(shù)，為臨界應(yīng)力與鋼材屈服點(diǎn)之比。中國(guó)規(guī)范考慮了桿件存在的缺陷，并只考慮殘余應(yīng)力和初彎曲兩個(gè)最主要的影響因素。

2.3中、歐規(guī)范軸心受力構(gòu)件承載力計(jì)算算例

現(xiàn)選取一根截面為UC203×203×71等級(jí)S275的軸心受力構(gòu)件，無(wú)支撐長(zhǎng)度為3m，假設(shè)構(gòu)件兩端為鉸接節(jié)點(diǎn)。毛截面面積Ag=90.4cm2，有兩個(gè)直徑22mm螺栓孔，孔洞面積A0=3.14×0.25× 1.12×2=1.9cm2，計(jì)算構(gòu)件抗拉，抗壓承載力。

中國(guó)規(guī)范：軸心受拉時(shí)，N=2433.8kN。軸心受壓時(shí)，此截面為b類截面，λ取較大值，查表得出φ值，φ=0.801。N= φAf=1991.3kN

歐洲規(guī)范：軸心受拉時(shí)

Npl，Rd=2486kN

兩者取小值，Npl，Rd=2486kN。軸心受壓時(shí)

不屬于第四類截面。

假定弱軸彈性屈曲為控制工況，使用屈曲曲線“c”計(jì)算，缺陷系數(shù)α= 0.49。

中歐規(guī)范軸心受力構(gòu)件極限承載力對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1　軸心受力構(gòu)件極限承載力對(duì)比

由此可見(jiàn)，計(jì)算軸心受拉時(shí)中國(guó)規(guī)范偏安全，歐洲規(guī)范得出的承載力比我國(guó)規(guī)范大2%；軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定計(jì)算，中國(guó)規(guī)范將軋制“H”型鋼，b/h＞0.8時(shí)，弱軸按照b類屈曲曲線考慮，而歐洲規(guī)范將軋制“H”型鋼，h/b≤1.2時(shí)，弱軸按照c類屈曲曲線考慮，歐洲規(guī)范計(jì)算結(jié)果偏于安全，我國(guó)規(guī)范計(jì)算承載力比英國(guó)規(guī)范大32%，兩種規(guī)范的計(jì)算結(jié)果偏差很大。

結(jié)論

總體而言，兩種規(guī)范的理論基礎(chǔ)是一樣的，中國(guó)規(guī)范計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，便于掌握；歐洲規(guī)范計(jì)算過(guò)程詳盡，比較復(fù)雜，考量的因素也更全面。各國(guó)規(guī)范都是在各國(guó)多年實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則。在工程實(shí)踐中，要結(jié)合當(dāng)?shù)氐囊螅唧w情況具體分析，才能做出安全、經(jīng)濟(jì)、合理的建筑結(jié)構(gòu)。

[1]崔佳，魏明鐘．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：114-115．

[2]GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

TU392

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