【问题概述】
STAAD软件中如何按照2017版钢规应用宽厚比的相应条款?
【解决方法】
为与美标、欧标接轨,《钢结构规范》GB50017-2017中对于截面板件的宽厚比部分进行了较大修改,修改后的板件宽厚比按照塑形转动能力进行了分级。本文我们主要讨论在STAAD软件中如何按照新钢规应用宽厚比的相应条款。
再讨论这个问题之前,我们先来回顾下03版钢规中关于宽厚比验算的条款。03版钢规中,宽厚比的验算分散于规范的各章各条中,且宽厚比的值在结构的整个设计过程中都是一个唯一值,而这一点在现行的GB50011-2010《抗震规范》、JGJ99-2015《高钢规》以及GB51022-2015《门钢规范》中也是同样的。
在03版钢规服役期间,对于结构宽厚比条款,设计上的使用思路是:先判断是否执行抗震规范,若执行,则确定抗震等级,然后按照对应的规范,计算得到一个宽厚比限值;若不执行抗震,则直接按照03版钢规条款,计算得到一个宽厚比限值,然后验算当前板件的宽厚比是否满足这个限值。
而现行的17版钢结构规范中,是按照承载能力和塑形转动能力来进行板件宽厚比等级的划分。也就是说,由设计人员首先根据欲设计的建筑结构功能需求,定一个预期期望板件达到的性能等级。然后,通过设计计算,再次查看最终板件设计后的性能等级,有可能设计最终结果与预期性能等级一致,也有可能不一致,而就算不一致,只要是可以满足板件的承载力和变形能力,都是合理的。因此,在17版钢结构规范中,相关的宽厚比条款不再是一个设计的控制条款,而是需要设计人员设计之初就预先设定板件的等级预期,然后根据设计结果和建筑需求,调整预期,最终得到一个符合实际的板件等级即可。目前,STAAD.Pro软件为了协调17版钢规和10版抗震规范等之间的版本差异,仍然保留了宽厚比的验算条款。
综上所述,在目前情况下,现行17版钢规和现行的10版抗规、15版高钢规和15版门规之间,在宽厚比条款上,就存着一个较大的设计思路差异。接下来我们讨论,再当前情况下我们应该如何合理的应用17版钢规中宽厚比条文,而且又满足10版抗规等在宽厚比方面的限值。
17版钢规中,根据截面承载能力和塑形转动能力的不同,将板件宽厚比划分成5个等级。如下表所示:
宽厚比等级
塑形变形能力描述
弹塑性截面分类
S1
可达全截面塑形,保证塑性铰具有塑形设计要求的转动能力,且在转动过程中承载力不降低
一级塑性截面
(塑形转动截面)
S2
可达全截面塑形,但由于局部屈曲,塑性铰转动能力有限
二级塑性截面
S3
翼缘全部屈服,腹板可发展不超过1/4截面高度的塑性
弹塑性截面
S4
边缘纤维可达到屈服强度,但由于局部屈曲而不能发展塑性
弹性截面
S5
在边缘纤维达屈服应力前,腹板可能发生局部屈曲
薄壁截面
其中,S1和S2等级适用于高延性-低弹性框架结构,可考虑截面塑性发展系数,具体选取S1还是S2,应由设计人员根据实际情况确定;S3等级适用于中延性-中弹性框架结构,可考虑截面塑性发展系数;S4等级适用于低延性-高弹性框架结构,如工业厂房或者钢次梁,此时不能考虑截面塑性发展系数;S5等级,宽厚比限值为20,理论上适用于门刚单层厂房钢结构,但由于计算时按有效截面计算,还是算到15εk,不合算(余海群)。另外,次梁的宽厚比一般可以按照S4等级控制。
当结构不考虑抗震时,STAAD软件关于宽厚比条款考虑顺序:
首先,设计人员应根据建筑结构功能需求,给出预期板件的宽厚比等级,如这里设置为S1,则压弯构件和受弯构件软件根据GB50017-2017《钢结构规范》中3.5.1条,进行判断是否满足S1等级,若不满足预期,可以根据结构实际情况,调整预期板件等级等措施进行调整。
若板件宽厚比实际计算值超过S4等级,则软件将根据8.4.2条自动考虑有效截面进行计算判断。若为支撑构件根据7.3.2条进行宽厚比限值判断。注意,此处的宽厚比不是用户输入的预期值,而是板件的实际宽厚比值。
当结构考虑抗震时候,STAAD软件关于宽厚比条款考虑顺序:(此时,模型中应具有地震荷载工况,且勾选抗震验算)。
首先,设计人员应根据建筑结构功能需求,给出预期板件的宽厚比等级,软件根据预期等级,按照17版钢规3.5.1条,判断板件宽厚比是否满足预期等级;同时软件根据GB50011-2010《抗震规范》8.3.2条进行宽厚比限值验算,若这两项任何一项不满足,则输出较大的超限结果。需要注意的是:若宽厚比根据17版钢规不满足预期设置等级,可调整预期等级,并不是不满足17钢规条款,只是与设计人员规定的预期不符合;若宽厚比不满足10版抗震规范,则为超限,不满足抗震控制条款。
关于宽厚比条款应用实例请参考: 宽厚比按照17钢结构规范应用实例