中華人民共和國行業標準高強鋼結構設計規程JGJ×-201×條文說明（征求意見稿）軸心受力構件軸心受力構件的強度本條為軸心受力構件的強度計算要求。從國際上看，軸心受拉構件的承載能力通常分為兩種極限狀態，即，毛截面屈服和凈截面拉斷。毛截面的平均應力達到材料的屈服強度，構件將產生很大的變形，即達到不適于繼續承載的變形極限狀態，其計算公式為：（5-1）式中為抗力分項系數。凈截面的平均應力達到材料的抗拉強度，即達到最大承載能力的極限狀態，其計算式為：（5-2）由于凈截面的孔眼附近應力集中較大，容易首先出現裂縫，因此其抗力分項系數應予提高。上式中參考國外資料取，即比增大25%。《鋼結構設計規范》2003版為了簡化計算，僅采用了凈截面處應力不超過屈服強度的計算方法，這對于屈強比小于或接近0.8的鋼材是偏于安全的，但對于屈強比大于0.8的鋼材簡化公式不再適用。對于本規程的高強鋼屈強比大多高于0.8，為此，用公式（5.1.1-1）和式（5.1.1-2）取代了原《鋼結構設計規范》2003版的凈截面屈服的計算公式。2003版《鋼結構設計規范》采用對強度設計值進行折減的方法。這種方法容易造成概念上的混淆，拉桿軸力放大系數1.15是原強度折減系數的倒數。軸心受壓構件當孔洞處有螺栓填充時，不必驗算該截面的凈截面強度。某些情況下，由于構件截面存在“剪切滯后”會導致并非全部截面直接傳力，或者截面上正應力分布不均勻，這時應考慮采用有效截面系數對截面積折減，形成有效凈截面或者有效截面。軸心受壓構件的穩定性式（5.2.1）采用軸心壓力設計值與構件承載力之比的表達式，有別于截面強度的應力表達式，使概念明確。對于板厚t<40mm的五種類型截面的穩定系數分類，根據清華大學施剛、石永久、班慧勇等的研究成果（施剛，石永久，班慧勇.高強度鋼材鋼結構.北京：中國建筑工業出版社.2014.）進行了調整。《鋼結構設計規范》2003版的5.1.6條曾規定。計算表明，該剪力公式的屈服強度調整系數并無必要，予以刪除。參看文獻《論高強度鋼壓桿穩定計算中的屈服強度因數》（建筑鋼結構進展，陳紹蕃，申紅俠，2011，13（5））。實腹式軸心受壓構件的局部穩定性和屈曲后強度本條1~3款采取屈服準則和等穩準則綜合運用的方法，考慮殘余應力的影響，參考相關文獻“《軸心壓桿板件寬厚比限值的統一分析》（建筑鋼結構進展，陳紹蕃，2009，11（5））；《論高強度鋼壓桿穩定計算中的屈服強度因數》（建筑鋼結構進展，陳紹蕃等，2011，13（5））”，并根據清華大學石永久、施剛、班慧勇等的研究成果（施剛，石永久，班慧勇.高強度鋼材鋼結構.北京：中國建筑工業出版社.2014.）提出。為了與《鋼結構設計規范》GB50017協調，Q460、Q460GJ的局部穩定計算公式與《鋼結構設計規范》GB50017的規定保持一致。Q460、Q690鋼材H形截面腹板、翼緣及箱形截面壁板的局部穩定計算公式與相應數據的對比見圖5-1、圖5-2和圖5-3。其中，橫坐標為長細比λ/εk，縱坐標為寬厚比限值[h0/tw]/εk或[b/t]/εk，Q460、Q690數據由清華大學根據等穩定性原則計算得到。另外一種計算H形截面腹板、翼緣及箱形截面壁板局部穩定的方法為，引入適用于本規程鋼材等級范圍（Q460～Q690）的鋼材強度參數（），則該方法的計算公式為：H形截面腹板當時：（5-3a）當時：（5-3b）式中：λ——構件繞截面兩個主軸的較大長細比，大于120時取120；εk——鋼號修正系數，其值為235與鋼材牌號比值的平方根；h0——腹板的計算高度，對焊接H形截面為腹板凈高，對軋制H形截面不應包括翼緣腹板過渡處圓弧段；tw——腹板的厚度。H形截面翼緣當時：（5-4a）當時：（5-4b）式中：λ——構件繞截面兩個主軸的較大長細比，大于120時取120；b、tf——分別為翼緣板自由外伸寬度和翼緣厚度。箱形截面壁板當時：（5-5a）當時：（5-5b）式中：λ——構件繞截面兩個主軸的較大長細比，大于120時取120；b、t——分別壁板間的距離和壁板厚度。以上計算公式對Q460及其以上等級的高強鋼均適用。可驗證，Q460、Q460GJ的計算結果與《鋼結構設計規范》GB50017是協調一致的。圖5-1、圖5-2和圖5-3同樣給出了上述公式（5-1）、（5-2）、（5-3）與Q690數據的對比。圖5-1H形截面腹板圖5-2H形截面翼緣圖5-3箱形截面壁板第4款等邊角鋼肢的寬厚比限值，主要是考慮到高強度角鋼應用的需要。參看文獻《單角鋼壓桿的肢件寬厚比限值和超限桿的承載力》（建筑結構學報，陳紹蕃，王先鐵，2010，31（9））；《等邊單角鋼軸心壓桿局部穩定計算問題的討論》（工業建筑，郝際平，范金凱，王先鐵等，2009,39(6)）。不等邊角鋼沒有對稱軸，失穩時總是呈彎扭屈曲，穩定計算包含了肢件寬厚比影響，不再對局部穩定作出規定。對中等以上長細比壓桿的板件寬厚比限值，只有一部分乘以鋼號修正系數εk，有利于高強鋼材更充分的發揮作用。第5款維持《鋼結構設計規范》2003版中的5.4.5條規定。鋼管不能利用屈曲后強度，且目前國內對Q500及以上等級鋼管的局部穩定研究較少，因此趨于保守地沿用原限值。板件寬厚比限值根據等穩定性準則確定，因此，當構件實際壓力低于其承載力時，相應的局部屈曲臨界力要求可以降低，從而寬厚比限值可放寬。參看文獻《軸心壓桿板件寬厚比限值的統一分析》（建筑鋼結構進展，陳紹蕃，2009，11（5））。本條采用有效截面法計算軸心受壓構件的屈曲后強度，即，統一對截面積折減以考慮板件屈曲對整體承載力的不利影響。參看文獻《焊接薄壁箱型軸心壓桿的承載力計算》（建筑鋼結構進展，陳紹蕃，2009，11（6））；《單角鋼壓桿的肢件寬厚比限值和超限桿的承載力》（建筑結構學報，陳紹蕃，王先鐵，2010，31（9））；《焊接截面軸心受壓鋼構件相關穩定性能研究》（清華大學學位論文，周文靜，2014）。為了與《鋼結構設計規范》GB50017協調一致，本條1~3款中Q460、Q460GJ鋼的H形截面腹板、箱形截面壁板的有效截面系數計算公式與《鋼結構設計規范》GB50017相同，但本規程針對H形截面的翼緣亦提出了相應的有效截面系數計算公式。以上計算公式以及《鋼結構設計規范》GB50017中的計算公式與清華大學針對Q460、Q550、Q690以及Q960的參數分析數據對比如圖5-4、圖5-5和圖5-6所示。圖5-5和圖5-6中“R”代表長方箱形截面，“B”代表等邊箱形截面。可見，本條的設計公式與數據的吻合較好。圖5-4焊接H形截面數據與本條設計公式的對比圖5-5焊接箱形截面數據與《鋼結構設計規范》設計公式的對比圖5-6焊接箱形截面數據與本條設計公式的對比受彎構件受彎構件的強度Q460、Q460GJ鋼材的截面塑性發展系數與現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017的取值一致，Q500、Q550、Q620和Q690鋼材的截面塑性發展系數、均取1.0。本條與現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017規定一致。受彎構件的整體穩定性本條與現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017的規定一致。日本福本秀士等根據不同國家的大量焊接梁試驗資料統計分析，當穩定系數公式采用時，得到焊接梁試驗平均值曲線的指數n=2.0。指數n的主要影響因素是高寬比（截面上下翼緣中面距離和截面受壓翼緣寬度的比值），長細比影響很小，因此，將指數n與截面的高寬比聯系建立函數關系。分析107根不同跨度、截面尺寸的高強度鋼材焊接工字形截面簡支梁，將構件按照截面高寬比分為8組，經過參數分析得到指數n的計算式（6-1）。 （6-1）與現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017對比，數值分析得到的高強鋼梁指數n要高于相同條件下的規范值，如圖6-1所示。圖6-1指數n的對比本條與現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017的規定一致。受彎構件的局部穩定性工字形截面梁采用Q500及其以上等級的高強度鋼材，計算梁抗彎強度時取，為彈性設計，。采用Q460、Q460GJ鋼材，計算梁抗彎強度時取，考慮截面塑性發展，。箱形截面梁采用Q500及其以上等級的高強度鋼材，計算梁抗彎強度時取，為彈性設計，。采用Q460、Q460GJ鋼材，計算梁抗彎強度時取，考慮截面塑性發展，。歐洲鋼結構規范規定Q460以上鋼材不需配置加勁肋的高厚比限值為。美國鋼結構規范規定不需配置橫向加勁肋的高厚比限值為。澳大利亞鋼結構規范規定此限值為。現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017假定正則化長細比，，可得，放寬要求確定限值為。壓彎構件壓彎構件的強度已有的研究表明，隨著鋼材屈服強度的提高，屈強比增大而斷后伸長率減小，延性變差。高強鋼應力-應變曲線中的屈服平臺長度縮短甚至消失，高強鋼的應變強化效應不明顯。高屈強比對于結構和構件的塑性設計是否有明顯的不利影響還需要進行深入的研究。Q550以上的鋼材，無明顯的屈服平臺，故不建議利用其截面塑性發展。壓彎構件的穩定性本條沿用2013版GB50017的相關公式形式，但對彎矩項引入修正系數以考慮彎矩作用較大且長細比較小的高強鋼構件殘余應力的有利影響。同濟大學李國強等學者對7個Q460焊接箱型壓彎構件和6個Q460焊接H型撓弱軸彎曲壓彎構件進行了極限承載力試驗研究（李國強,閆曉雷,陳素文.《Q460高強鋼焊接箱形壓彎構件極限承載力試驗研究》[J].土木工程學報,2012,08:67-73；李國強,閆曉雷,陳素文.《Q460高強度鋼材焊接H形截面弱軸壓彎柱承載力試驗研究》[J].建筑結構學報,2012,12:31-37），試驗數據與用數值積分法和有限元分析法得出的結果吻合良好（閆曉雷,李國強,陳素文.《Q460高強鋼焊接箱形壓彎構件極限承載力數值分析》[J].建筑鋼結構進展,2013,03:12-18）。東南大學舒贛平等對2個Q460、2個Q550焊接箱型壓彎構件，3個Q460、3個Q550焊接H型繞弱軸彎曲壓彎構件進行了極限承載力試驗研究，箱形壓彎構件得出的極限承載力值與用現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017壓彎構件彎矩作用平面內穩定公式得出的計算值（箱型構件采用c曲線，H型構件采用b曲線）進行了對比。研究結果表明，實驗值均高于公式計算值20%以上。這是由于彎矩越大，殘余應力影響越小，對短粗構件（）在相當范圍內還起到有利影響。殘余應力對平面內穩定的影響可見圖7-1（陳紹蕃《鋼結構設計原理》）。美國ANSI/AISC360-2010LRFD規范給出的計算壓彎構件平面內穩定的相關公式為：時：時：式中，對于截面回轉半徑為i、長細比的軸心受壓構件，其極限荷載當時，；當時，。受彎構件的極限彎矩。壓彎構件在設計公式中的彎矩需計及彎矩放大系數和效應。本條提出的修正系數取值參考了美國規范中的取值。圖7-1殘余應力對平面內穩定的影響對于彎矩作用平面內穩定公式（7.2.1-1），《鋼結構設計規范》GB50017、本規程、美規、有限元計算、試驗值對比如圖7-2所示，其中進行有限元分析時，本構關系、殘余應力分布模式和規范公式中均參考“施剛，石永久，班慧勇.高強度鋼材鋼結構.北京：中國建筑工業出版社.2014”。圖7-2彎矩作用平面內穩定公式對比對比各國規范，我國GB50017-2003采用直線相關公式，偏于安全，對單軸對稱截面的壓彎構件，無論彈性或彈塑性的彎扭計算均較為復雜，經分析，若近似采用直線式來表達相關關系也是可行的。針對高強鋼結構的彎矩作用平面外穩定公式建議沿用GB50017的直線相關公式，φy和φ《鋼結構設計規范》GB50017彎矩作用在兩個主平面內的雙軸對稱實腹式工字形和箱形截面的壓彎構件穩定性采用的線性相關公式偏于安全，但可以使雙向彎矩壓彎構件的穩定計算與軸心受壓構件、單向彎曲壓彎構件以及雙向彎曲構件的穩定計算相互銜接，因此本規程中建議沿用，但穩定系數采用針對高強鋼的參數。壓彎構件的局部穩定性《鋼結構設計規范》GB50017壓彎構件面內失穩時截面受壓較大處會出現塑性，這種現象與構件長細比無關。參照《鋼結構設計規范》GB50017，按S4截面取值。本條參照《鋼結構設計規范》GB50017的計算方法，使用有效截面面積與有效截面模量來計算柔薄截面（S4級截面）壓彎構件的承載能力。連接和節點一般規定考慮到高強度結構鋼材一般用于結構重要性要求高的工程，對連接的承載力和變形應控制得更嚴格，不宜采用普通螺栓連接，本規程只推薦采用高強度螺栓連接。根據現行國家標準《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》JGJ82，栓焊并用連接承受同一剪力作用，常用于加固或改造工程；栓焊混用連接適用于框架梁柱的現場連接及構件拼接，一般通過梁端翼緣焊縫連接承受彎矩作用，通過梁端腹板螺栓連接承受剪力作用。栓焊混用連接可用于高強鋼結構，但目前對高強鋼結構中采用栓焊并用連接及其構造尚缺乏必要的研究和實踐，暫不推薦采用。高強鋼結構一般工作應力較大，連接部位變形對連接受力性能會有更大影響，在進行設計和構造時應考慮變形因素。焊縫連接采用焊縫連接高強度結構鋼材時，焊接材料應與鋼材牌號匹配，匹配要求見第4章表4.4.2，焊接材料的抗拉強度不低于母材強度。由于高強鋼結構在焊縫連接處的工作應力較高，長焊縫連接變形會使焊縫內力分布更不均勻，研究發現鋼材強度越高，焊縫的剪力分布不均勻性越大，所以建議焊縫的抗剪承載力設計值折減系數與鋼材屈服強度成反比，考慮超長焊縫折減過多，限制焊縫計算長度不超過150hf。高強度螺栓連接高強度螺栓連接可按摩擦型連接或承壓型連接設計，螺栓預拉力設計值應符合表4.4.3-3的規定。試驗表明，當高強度螺栓連接處剪力較大，發生滑移后，如果螺栓孔過大，高強度螺栓承壓型連接會產生較大變形，不宜采用大圓