中美鋼結構設計規范對比及工程應用分析

陳永強

（藍星工程有限公司，北京100143）

1 引言

我國鋼結構設計起步相對較晚，美國作為第一陣營的發達國家。本文以我國GB 50017—2017《鋼結構設計規范》為基準，對比美國鋼結構AISC-ASD、AISC-LRFD 以及AISC360 等標準。

2 中美鋼結構設計規范對比及工程應用分析

2.1 受壓件寬厚比

實腹軸心受壓構件要求不出現局部失穩，基于我國GB 50017 規范，其板件寬厚比應符合下列規定：

H 形截面腹板的寬厚比為：

式中，λ 為構件的較大長細比，當λ＜30 時，取30；當λ＞100時，取100；h0、tw分別為腹板計算高度和厚度，按GB 50017—2017 表3.5.1 的注2 取值；εk為鋼號修正系數。

H 形截面翼緣板的寬厚比為：

式中，b和tf分別為翼緣板自由外伸寬度和厚度。

T 形截面翼緣寬厚比限值按式（1）確定。

T 形截面腹板寬厚比限值為：熱軋剖分T 形鋼：h0/tw≤（15+0.2λ）εk；焊接T 形鋼：h0/tw≤（13+0.17λ）εk。對于焊接構件，h0取腹板高度hw；對于熱軋構件，h0取腹板平直段長度，簡要計算時可取h0=hw-hf（hf為角焊縫的焊腳尺寸），但不能小于hw-20mm[1]。

2.2 軸心受拉和受壓強度計算

據我國GB 50017—2017，軸心受拉和受壓強度計算方法為：

非高強度螺栓摩擦型連接處：

強度螺栓摩擦型連接處按式（5）計算：

式中，δ 為截面強度；N為所計算截面拉力設計值；An為凈截面積；f為鋼材抗拉、抗壓和抗彎強度設計值；n為節點處構件一端連接的高強度螺栓數；n1為所計算截面高強度螺栓數，A為毛截面面積。

美國規范（AISC360）中受拉構件設計有2 種方法，即分別按照ASD 方法（用抗拉強度Pn/Ωt）和LRFD 方法（抗拉強度φtPn）進行設計。依據全截面受拉屈服和凈截面受拉斷裂時的兩種極限強度的較小值考慮：凈截面：Pn=FuAe（Ωt=2.00，φt=0.75）；全截面：Pn=FyAg（Ωt=1.67，φt=0.9）（其中，Ae為有效凈面積；Ag為構件毛截面積；Fy和Fu為最小屈曲應力及鋼材類型；Pn為標稱軸向強度；Ωt為拉緊時安全因素；φ 為阻力因素）。

通過中美兩國鋼結構設計規范比較規范可以看出，中美規范中都對凈截面斷裂和毛截面屈服進行了規范設計，美標對凈截面設計更加詳細（尤其是對效率問題進行了設計），我國相關規范則沒有對此進行設計。

2.3 受彎構件設計

我國GB 50017—2017 對受彎構件的強度做了如下描述：

在主平面內受彎的實腹構件，其受彎強度應按式（6）計算：

在最大剛度主平面內受彎的構件，其整體穩定性應按式（7）計算：

式中，Mx、My為同一截面處繞x、y軸產生的彎矩；Wnx、Wny為x、y軸凈截面毛量；rx、ry為對主軸x、y截面塑性發展系數；ψb為梁的整體穩定系數。Wx、Wy為對強軸和弱軸的毛截面量。

美標（AISC360，F 章節）中要求根據對應狀態選擇相應公式進行計算，如針對雙軸對稱I 型截面或槽型截面繞強軸彎曲的計算，應根據截面屈服和水平扭轉屈曲（彎扭屈曲）兩種極限狀態最小值：當Lb≤Lp時，不發生水平扭轉屈曲；Lb＞Lr時，Mn=FcrSx＜Mp，否則Mn=Cb{Mp-[Mp-0.7FySx（Lb-Lp）/（Lr-Lp）]}≤Mp（式中，Fcr為臨界應力；Sx為在x軸線附近所采取的彈性截面模量；Fy為正在使用的鋼材類型中特定的最小屈服應力；Cb為非均勻力矩圖表在無支撐片段得到支撐時的側向扭轉壓修訂因素；Mp為塑性彎矩；Lb為限制受彎構件受壓翼緣側向位移或截面扭轉的支撐間距；Lr為非彈性水平扭轉屈曲側向無支撐臨界長度；Lp為用于限制屈服時的限制側面無支撐長度）。

通過中美兩國鋼結構設計規范比較可以發現，我國受彎構件承載力計算是利用精確計算法進行整體穩定性設計，公式適用性更強；而美標抗彎強度設計值為ψbMn（ψb為0.9 時），除驗證整體穩定性外，還會對非厚實、柔薄截面腹板局部屈曲進行驗算[2]。需要說明的是僅僅通過上述3 個實例是不可能全面對兩國鋼結構規范設計體系進行比較的，本文只是提供了研究思路，為更深入地研究兩國鋼結構規范體系提供參考。

3 中美鋼結構設計在工程應用中的分析

應用相同鋼材料——國標Q345，采取表，中規范強度設計載荷組合，進行鋼結構工程應用設計。

表1 中美規范強度設計荷載組合

通過梁構件美中應力比值數據比較可以得到，中美標準下梁結構應力比差別接近。由表2 柱構件中美應力比值數據可以得到，中美標準下柱結構應力比差別接近。

表2 柱構件比較

由表3 垂直支撐構件美中應力比值數據可以得到，中美標準下垂直結構，美國規范要好于我國。兩國標準體系下默認為相同截面，分別對比梁、柱和支撐構件應力發現，鋼結構梁構件和柱構件的設計方面中美兩國安全水平相似，支撐構件方面，美國明顯好于中國。

表3 垂直支撐構件比較

4 結語

本文以鋼結構概念為切入點，簡要介紹了我國和美國鋼結構設計規范背景，并以此選取若干規范內容對兩國規范體系進行簡要的對比，最后介紹中美兩國鋼結構設計工程應用設計，對比發現我國鋼結構設計規范方面經過幾十年的發展，已有長足的進步，具備了自身的特點和特色。