《钢结构设计标准》新旧规范对比及其在本科教学中的应用

• 摘要：针对新版GB50017—2017《钢结构设计标准》修订的主要技术要点进行探讨，通过与旧版GB50017—2003《钢结构设计规范》的对比分析，详细阐述其修订或删减的主要依据。并结合当前本科教学实际，对新版标准内容的修订作了较为全面的总结，进而提出了钢结构设计原理课程在本科教学方法上的新要求，让学生在有限的学时内掌握钢结构设计的基本理论，同时也为工程技术人员更快、更好地了解和掌握新版标准内容提供了一定的参考。
  关键词：钢结构设计原理；教学方法；设计规范；修订内容；技术要点
  一、《钢结构设计规范》发展历史
  我国钢结构工程的发展是我国钢结构设计规范进展的动力。我国建筑钢结构的发展大致可分为三个阶段：20世纪50年代为第一阶段，新中国刚成立，百废待兴，建造钢结构建筑时多采用前苏联的钢结构设计规范；20世纪60年代到70年代为第二阶段，74规范是我国第一本正规的钢结构设计规范，规范中部分内容沿用前苏联的规范内容，但轴压构件、压弯构件的稳定系数都不同于原苏联规范，体现了我国自己的研究成果[1]；20世纪80年代到21世纪初为第三阶段，我国专家学者对74规范作了较全面的修订，编写了88规范，这一版本的规范采用以概率理论为基础的用分项系数表达的极限状态设计方法，在疲劳计算中以应力幅准则代替了以前的应力比准则，增加了塑性计算、钢管结构和钢与混凝土组合梁三章内容；此后的03规范引进了二阶分析、屈曲后强度等先进技术，进一步适应钢结构的应用和扩展[2]。
  2003版《钢结构设计规范》自颁布以来实施至今已经有15年，在这期间我国钢结构发展迅速，建造了国家体育场、水立方、央视大楼等标志性钢结构建筑，出现了新的结构体系，采用了新材料，应用了新技术，形成了新的设计理念、分析方法和构造处理方法，也获得了许多研究成果。因此，我国自2018年7月1日起，开始正式颁布实施新版GB50017—2017《钢结构设计标准》，新标准是根据多年工程经验和研究成果，同时考虑与国际其他发达国家钢结构设计规范相接轨进行编制的。
  另一方面，针对钢结构课程，在以往教学中往往只重视钢结构建造过程中的基础理论知识，而忽略实际现场操作，与钢结构实践工作存在一定的脱节。在教学改革、课时减少但教学任务不减的大背景下，高等学校土建类专业学生如何结合新标准进行快速知识更新、高校教师如何及时改进钢结构设计相关课程的教学方法是我们当前钢结构课程教学过程中遇到的一个挑战。笔者结合新标准的修订情况，通过新旧规范的对比，讨论新版标准在本科钢结构课程中的具体应用。
  2.新版标准的相关修订
  17钢标的修订，除了对03规范的条文进行必要的修改、增补外，首先在名称上做出了改变，03版为规范，17版为标准。17钢标主要完成了两项工作：一是形成设计规范；二是加入结构体系和抗震设计内容，引入钢结构结构稳定设计的直接设计法，与国际接轨[3]。
  2.1术语、符号、材料
  （1）术语的增删及修改
  新标准第2.1.1条至2.1.41条根据现行国家标准《工程结构设计通用符号标准》GB/T50132、《工程结构设计基本术语标准》GB/T50083并结合17钢标的具体情况对原规范中术语进行修订，让术语更多地回归钢结构本身，具体修改为：
  ①删除了原规范中非钢结构专用术语及不推荐使用的结构术语，具体有：强度、承载能力、强度标准值、强度设计值，橡胶支座、弱支撑框架；
  ②增加了部分常用的钢结构术语及与抗震相关的术语，具体有：直接分析设计法、框架-支撑结构、钢板剪力墙、支撑系统、消能梁段、中心支撑框架、偏心支撑框架、屈曲约束支撑、弯矩调幅设计、畸变屈曲、塑性耗能区、弹性区；
  ③修改了部分术语：组合构件修改为焊接截面；通用高厚比修改为正则化宽厚比，对于构件定义为正则化长细比。
  （2）符号的增加
  新标准第2.2.4条新增钢号修正系数ek，其值为235与钢材牌号中屈服点数值的比值的平方根。
  （3）材料中新增钢材种类
  新规范第4.1.1条中新增Q460和Q345GJ钢，主要原因是我国钢结构较以前有了很大发展，钢结构用钢材应为按国家现行标准所规定的性能、技术与质量要求生产的钢材。
  2.2新标准新增结构体系及截面板件宽厚比等级
  新标准中第3.2条新增结构体系内容，具体为钢结构体系的选用原则、钢结构布置的规定以及对钢结构施工过程的相关要求。
  为了符合欧洲标准和美国标准，满足性能设计要求，以及考虑到截面等级与构件承载力和抗震设计密切相关，新标准第3.5节新增了截面板件宽厚比等级，分为五个等级，这是中国规范第一次系统地梳理板件宽厚比，国际上根据截面承载力和塑性转动变形能力的不同将钢构件截面分为四类，考虑到我国在受弯构件设计中采用截面塑性发展系数gx，故将截面等级分为五个等级。
  2.3新标准关于结构内力分析引入“直接分析法”
  新标准第5.5节新增直接分析设计法，使用直接分析法可建立带有初始缺陷的结构和构件单元模型，也可由等效荷载代替，进而考虑由于结构几何的变化、材料的屈服等对结构刚度的影响，可以准确预测结构行为。目前直接设计法已纳入欧美、中国香港规范，并有取代前者成为钢结构稳定计算方法的趋势[3]。
  2.4新标准对柱稳定系数的调整
  新标准第8.3.1条增加了无支撑框架和有支撑框架的计算长度系数的简化公式；因强支撑框架的判别式过于理论化，故改进了强弱支撑框架的分界原则和强支撑框架的柱稳定系数计算公式；因实际应用情况中很少设计成弱支撑框架，故取消了弱支撑框架柱稳定系数的计算公式。
  2.5新标准新增加劲钢板剪力墙和塑性及弯矩调幅设计
  新标准新增第九章加劲钢板剪力墙，但由于其施工安装要求较高，目前并未得到大量应用。
  新标准新增第十章塑性及弯矩调幅设计，塑性设计属于结构极限承载能力问题，具有理论依据，但是作为设计方法缺少可靠度方面的验证。新标准采用弯矩调幅设计方法，具有塑形设计含义，且从概念上易为设计者所接受。对超静定梁可以进行调幅，包括框架梁和连续梁；对于地震工况，只允许对重力荷载进行调幅。
  2.6新标准对柱脚、相贯节点进行了系统整理、研究
  新标准第12.7节中对柱脚进行了系统地梳理，分为外露式、外包式、埋入式和插入式柱脚，便于设计人员选用，也为以后对节点的全面、系统、深入的研究打基础。
  新标准第13.3节中对圆钢管相贯节点进行了全面研究，第13.4节中对矩形钢管相贯节点进行了全面研究。在全面进行相贯节点理论分析和试验研究的基础上，新标准提出了一整套非加劲的节点承载力计算式。承载力公式综合考虑了节点屈曲、屈服、支杆强度等因素，是以试验为依据的，为管桁架强节点弱杆件的设计提供了保证。
  2.7新标准对组合梁的计算要求和设计要求
  新标准第14.1.3条规定组合梁强度计算按塑性理论，挠度和连续梁端部裂缝计算按弹性理论，主要原因是前者考虑混凝土开裂的刚度折减，后者考虑弯矩调幅作用。
  新标准第14.2.1条明确了完全组合梁和部分组合梁的正弯矩区和负弯矩区的承载力计算式，第14.6节给出了按完全抗剪连接得到的混凝土梁纵向传递栓钉抗剪力的计算式。
  2.8新标准新增验算疲劳强度方法和抗脆断设计的补充规定
  新标准第16.2.1条参考欧洲钢结构设计规范EC3：Design of steel structures，增加了少量针对构造细节受剪应力幅的疲劳强度计算；同时针对正应力幅的疲劳问题，引入板厚修正系数gt来考虑壁厚效应对横向受力焊缝疲劳强度的影响。在确定疲劳截止限时，新标准采用S-N曲线以应力幅考虑疲劳问题，分两个步骤判断构件的疲劳，第一步进行初步判断，以1亿次的疲劳截止限值进行验算；如果不满足，对常幅疲劳，按应力循环次数分段验算，对变幅疲劳，按折算幅进行200万次容许应力幅验算。
  近几年我国高寒地区常发因低温导致钢材脆断的事故，故新标准第16.4节新增了防脆断设计的相关内容，新标准要求低温情况下（一般为－20℃以下）应进行防脆断设计，并从构造上给出了具体要求。
  2.9新标准新增钢结构抗震性能化设计和钢结构防护两大章节
  为了与实际工程接轨和与国际接轨，新标准新增钢结构抗震性能化设计和钢结构防护两大章节。
  三、新版标准在钢结构设计课程教学过程中的新要求
  新版钢结构设计标准于2018年7月1号颁布实施，目前亟待解决的问题是如何将教学内容和新标准结合起来，笔者认为在教学的过程中可从以下几个方面入手。
  1.将新标准与教材相结合，引导学生熟悉课程对应的标准和规范[4]。在传统的课堂教学中，大多重教材轻规范标准，教材内容详细但冗杂，只学习教材会导致学生难以抓住课程重点，对钢结构设计课程产生抵触情绪。而在课堂中适当地引入标准和规范，可以让学生在课堂上直接掌握钢结构最新的设计要求，消除学生对规范标准的陌生感和恐惧感。
  2.精简教学内容，密切结合工程实例。由于钢结构课程课时较少、教学内容多、上课进度快，学生极易对课程失去兴趣，因此需要精简教学内容，突出课程中的重难点，结合实际工程例子讲解课程中的知识点，既可以增强学生对钢结构课程的兴趣，拓宽学生的视野，又能培养学生的工程意识，为以后走向工作岗位打下良好的基础。
  四、 新版标准在本科教学中的具体应用
  根据本科钢结构教学培养方案，钢结构设计原理这门课程主要讲授钢结构基本构件的受力性能及设计方法，主要讲解钢结构的材料和计算方法、钢结构的连接、受弯构件及轴心受力构件等方面的内容，其中钢结构连接中的角焊缝、对接焊缝和螺栓连接的构造及计算、钢梁和轴心受力构件的强度、刚度、整体稳定和局部稳定等知识点是课程中的重难点。在本次新标准的修订中，上述重难点都有所涉及，故需在实际本科教学中调整上课内容与教学重点。
  4.1钢结构术语、符号、材料
  在教学阶段，首先要明确钢结构课程中的术语与符号，新标准删除的非钢结构专用术语及不推荐使用的结构术语在课堂教学时不应再提及，且应结合混凝土相关标准规范对学生进行对比辨析，分析其不再使用的原因，强化学生记忆，不应提及的钢结构术语包括强度、承载能力、强度标准值、强度设计值，橡胶支座、弱支撑框架；对增加的部分常用的钢结构术语及与抗震相关的术语应该进行着重介绍，解释其新增原因，新增术语包括直接分析设计法、框架-支撑结构、钢板剪力墙、支撑系统、消能梁段、中心支撑框架、偏心支撑框架、屈曲约束支撑、弯矩调幅设计、畸变屈曲、塑性耗能区、弹性区；对名称发生变化的术语应从概念出发解释新名称背后的含义，其包括组合构件修改为焊接截面，通用高厚比修改为正则化宽厚比，对于构件定义为正则化长细比。
  在课堂教学中，应着重提醒学生注意钢号修正系数ek，此符号为新增符号，其值为235与钢材牌号中屈服点数值的比值的平方根。由于这一符号的引入，许多公式和表格的表达都发生变化。此外，也应重视在新标准中首次引入的Q460和Q345GJ钢材，这两种钢材的引入不仅扩充了本科钢结构课程中涉及的钢材料，而且它们的引入代表了我国钢结构产业的发展以及技术的提高。
  4.2构件的受弯、轴心受力和压弯拉弯
  17钢规第一次系统地梳理了板件宽厚比，新钢规将截面根据其板件宽厚比分为5个等级——S1、S2、S3、S4、S5级截面。板件宽厚比大小直接决定了钢构件的承载力和受弯及压弯构件的塑性转动变形能力，是钢结构设计的基础，是学生学习钢结构设计的基础，应着重讲解。
  17版钢标未对受弯、轴心受力、压弯拉弯构件这三大传统章节进行大的调整，但仍有一些计算公式的调整，在教学中应加以重视。
  （1）受弯构件
  在17版钢标的受弯构件局部稳定章节，仅配置横向加劲肋的腹板在梁受压翼缘扭转未受到约束时的计算公式较03版规范有所改变，由于腹板应力最大处翼缘应力也很大，且翼缘应力不对腹板应力形成约束，故原公式分母中的153改为138。
  03规范：
  17钢标：
  （2）轴心受力构件
  在讲解轴心受力构件章节时，应注意到计算实腹式构件的长细比时新增两种情况。
  ①截面无对称轴且剪心和形心不重合时，换算长细比公式为：
  
  ②当为不等边角钢轴心受压构件时，换算长细比公式为：
  当时：
  
  当时：
  
  在验算容许长细比时，参考国外相关规范及考虑到实际应用情况，17钢标中适当调整了受压构件的长细比容许值。
  表1 受压构件的长细比容许值
  Table 1 Allowable ratio of the slenderness ratio of the compression member

  构件名称	容许长细比
  轴心受压柱、桁架和天窗架中的压杆	150
  柱的缀条、吊车梁或吊车桁架以下的柱间支撑	150
  支撑	200
  用以减小受压构件计算长度的杆件	200

  4.3钢结构的连接
  为与现行国家标准《钢结构焊接规范》GB50661的规定保持一致，17钢标对焊脚的计算厚度的相关规定进行了修改与补充，具体为：
  ①当根部间隙或时，；
  ②当根部间隙或但时，；
  ③当或时，斜角角焊缝计算厚度应按现行国家标准《钢结构焊接规范》GB50661的有关规定计算取值。
  新标准第11.3.1条中规定，受力和构造焊缝可采用对接焊缝、角接焊缝、对接角接组合焊缝、塞焊焊缝、槽焊焊缝，重要连接或有等强要求的对接焊缝应为熔透焊缝，较厚板件或无需焊透时可采用部分熔透焊缝。以前教学中未提及圆形塞焊焊缝、圆孔或槽孔内角焊缝，考虑实际工程中已有较多应用，因此将其列入标准，且只能用于抗剪和防止板件屈曲的约束连接。在实际教学中可根据工程最新实际对此知识点进行讲解。
  新标准第11.3.3条为了与现行国家标准《钢结构焊接规范》GB50661的规定保持一致，删除了原规范直接承受动力荷载且需要进行疲劳计算的结构斜角坡度不大于1：4这一规定。
  新标准第11.4.2条参考了行业标准《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ82-2011第4.1.1条，当高强度螺栓摩擦型连接采用大圆孔或槽孔时应对受剪承载力进行折减，乘以孔形折减系数。在受剪连接中，每个高强度螺栓的承载力设计值按下式计算：
  
  其中为孔型系数，标准孔取1.0；大圆孔取0.85；内力与槽孔长向垂直时取0.7；内力与槽孔长向平行时取0.6。17钢标中表11.4.2—1钢材摩擦面的抗滑移系数根据工程实践及相关研究得出，较之前版本有所变化，在教学中应注意。
  对于螺栓孔的孔径和孔型的规定，新标准第11.5.1条为了与现行行业标准《钢结构高强度螺栓连接技术规程》JGJ82的规定保持一致，对普通螺栓的孔径做出补充规定，并提出高强度螺栓摩擦型连接可采用大圆孔和槽孔。在此条规定中应注意到B级普通螺栓的孔径比螺栓公称直径大0.2mm～0.5mm，C级普通螺栓的孔径较螺栓公称直径大1.0mm～1.5mm，数值较旧规范发生了变化。
  结语
  本文以新版GB50017—2017《钢结构设计标准》修订为背景，通过与旧版GB50017—2003《钢结构设计规范》的对比分析，分析新旧规范之间的变化，详细阐述变化产生的主要依据，同时结合当前本科教学实际，不断尝试和总结新的教学理念和教学方法，提倡在教学中教材与规范并重，课堂讲解工程实例，充分发挥学生主体性，引导其思考学习，促进钢结构课程的教学改革。
   
发布日期：2020-06-02 09:32:12 浏览：