來(lái)源：從鋼結(jié)構(gòu)到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）（簡(jiǎn)稱“鋼標(biāo)”）已發(fā)布，各種宣講也不少了。筆者無(wú)意再面面俱到去把“鋼標(biāo)”條文捋一遍，而是想，就“鋼標(biāo)”涉及的一些技術(shù)要點(diǎn)或者說(shuō)比較費(fèi)解的專題進(jìn)行解說(shuō)，希望順帶能說(shuō)清楚，它們的前世今生。
“鋼標(biāo)”在第3.5節(jié)，全新引入了截面板件寬厚比等級(jí)（截面等級(jí)）的概念。關(guān)于截面等級(jí)的涵義、如何理解以及如何應(yīng)用，存在不少的疑問(wèn)，“鋼標(biāo)”解讀的第一個(gè)專題，就來(lái)說(shuō)說(shuō)截面等級(jí)。
一、截面等級(jí)究竟是個(gè)啥意思？
首先從表面上來(lái)看，鋼構(gòu)件由板件構(gòu)成，而截面等級(jí)說(shuō)的就是截面板件寬厚比等級(jí)。
截面板件寬厚比，按“鋼標(biāo)”的條文說(shuō)明——“截面板件寬厚比指截面板件平直段的寬度和厚度之比，受彎或壓彎構(gòu)件腹板平直段的高度與腹板厚度之比也可稱為板件高厚比。”需要注意，以往規(guī)范中的“寬厚比”和“高厚比”兩個(gè)名詞，現(xiàn)在實(shí)際上已經(jīng)統(tǒng)稱為“寬厚比”了。
截面板件寬厚比，是截面厚實(shí)程度的一個(gè)度量。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它直接決定了鋼構(gòu)件的承載力、受彎及壓彎構(gòu)件的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)變形能力（延性耗能能力）。換句話說(shuō)，截面等級(jí)就是截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力的表征。因此，從承載力角度來(lái)說(shuō)，截面等級(jí)是板件易發(fā)生屈曲程度和截面塑性發(fā)展程度的度量；從塑性設(shè)計(jì)和抗震設(shè)計(jì)角度而言，是截面塑性轉(zhuǎn)動(dòng)和延性耗能能力的等級(jí)。
所以“鋼標(biāo)”按照根據(jù)截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，將截面分為五個(gè)等級(jí)。實(shí)際上這比國(guó)際上常規(guī)分為四個(gè)等級(jí)的做法多了一個(gè)等級(jí)，是因?yàn)槔系摹颁撘?guī)”中受彎構(gòu)件一直以來(lái)都考慮了塑性發(fā)展系數(shù)（即可部分發(fā)展塑性的截面），因?yàn)檫@個(gè)歷史原因，截面增加了一個(gè)等級(jí)S3。
各級(jí)截面對(duì)應(yīng)的性能，實(shí)際上“鋼標(biāo)”按照截面受彎的力學(xué)性能已經(jīng)給出了很明確的描述：
其中尤其需要注意的是，S4級(jí)截面，它的界限，是邊緣纖維剛好達(dá)到屈服的狀態(tài)。S1~S3級(jí)截面，能發(fā)展截面塑性，而S5級(jí)截面，在邊緣屈服未達(dá)到時(shí)，板件就已發(fā)生局部屈曲，只能考慮有效截面進(jìn)行計(jì)算。
二、“鋼標(biāo)”中的截面等級(jí)咋確定的？
對(duì)應(yīng)歐洲規(guī)范EC3的S1~S4截面，“鋼標(biāo)”將壓彎和受彎構(gòu)件的截面分成S1~S5五個(gè)截面等級(jí)，其中S1、S2為塑性截面，S4為彈性截面，S3為中國(guó)規(guī)范特有的考慮一定塑性發(fā)展的彈塑性截面，S5為薄柔截面。
“鋼標(biāo)”的截面等級(jí)確定，主要依據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，同時(shí)參考了國(guó)外規(guī)范以及一些經(jīng)驗(yàn)值。
按照S4級(jí)截面描述的邊緣屈服同時(shí)板件剛好發(fā)生局部屈曲這個(gè)臨界狀態(tài)，可按彈性穩(wěn)定的公式進(jìn)行板件寬厚比限值（屈服寬厚比）的推導(dǎo)。
比如，對(duì)工字形截面的翼緣，按三邊簡(jiǎn)支一邊自由的板件計(jì)算，臨界應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力235MPa時(shí)板件寬厚比為18.6。按屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍適當(dāng)取整，作為五個(gè)截面分級(jí)的寬厚比限值，并給了一個(gè)表格來(lái)對(duì)比說(shuō)明。
需要說(shuō)明的是，0.5、0.6、0.7、0.8和1.1這個(gè)系數(shù)實(shí)際是帶有經(jīng)驗(yàn)性的。S4級(jí)截面按0.8，是考慮了殘余應(yīng)力和幾何缺陷等影響，S5級(jí)截面本來(lái)應(yīng)該是允許板件彈性屈曲而按照有效截面計(jì)算的，但考慮到自由邊板件局部屈曲后可能帶來(lái)截面剛度中心的變化，從而改變構(gòu)件的受力，也給了一個(gè)限值。
腹板的寬厚比（以往習(xí)慣叫高厚比），按梁腹板局部屈曲公式推導(dǎo)后的屈服寬厚比以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，與“鋼標(biāo)”實(shí)際取的限值對(duì)比如圖。
很明顯，屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，與“鋼標(biāo)”實(shí)際最終確定的限值并不完全一樣。按照條文說(shuō)明的解釋，考慮到不同寬厚比等級(jí)的用途不同，并沒(méi)有嚴(yán)格地按照屈服高厚比的倍數(shù)：限值大的放寬了，限值小的取得嚴(yán)格了。
看一下下表“鋼標(biāo)”最終確定的截面等級(jí)及寬厚比限值，部分限值的確定，實(shí)際上參考了歐洲標(biāo)準(zhǔn)EC3（見(jiàn)下表），“鋼規(guī)”塑性設(shè)計(jì)的腹板高厚比限值（下文還會(huì)說(shuō)）等。同時(shí)需要注意，壓彎構(gòu)件腹板的寬厚比限值參考了EC3，與截面應(yīng)力分布有關(guān)。
另外，注5給開(kāi)了一個(gè)口子：S5級(jí)截面如果應(yīng)力較小時(shí)，有可作為S4級(jí)截面使用的可能。
三、以往規(guī)范中有截面等級(jí)嗎？
雖然“鋼標(biāo)”第一次明確提出截面等級(jí)的概念并且在第3章就統(tǒng)一給出限值，實(shí)際上以往的規(guī)范中，還是有一些截面等級(jí)的影子。
1 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）（“鋼規(guī)”）
“鋼規(guī)”關(guān)于截面等級(jí)（板件寬厚比）的規(guī)定分散在受彎、壓彎構(gòu)件的計(jì)算及塑性設(shè)計(jì)各章節(jié)中。
比如，對(duì)于受彎構(gòu)件的強(qiáng)度計(jì)算，規(guī)定如下：
不考慮截面塑性發(fā)展系數(shù)，翼緣寬厚比限值15（Q235），考慮塑性發(fā)展系數(shù)13（Q235），實(shí)際上就是定義了上述的兩種截面等級(jí)：S4和S3。
梁的腹板局部穩(wěn)定計(jì)算，實(shí)際上又給出了彈性截面的寬厚比限值。比如，梁的受彎通用高厚比定義為
這個(gè)150（Q235）和130（Q235）實(shí)際上就是彈性截面的腹板寬厚比限值。
塑性設(shè)計(jì)時(shí)，要求如下：
這是作為寬厚比限值的構(gòu)造要求給出的，看著眼熟不？和“鋼標(biāo)”塑性截面的某些寬厚比限值很接近不是？
2 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）（“抗規(guī)”）
“抗規(guī)”第8章，作為抗震構(gòu)造措施，對(duì)框架梁、柱的板件寬厚比有如下要求：
雖然沒(méi)有明確說(shuō)截面等級(jí)，但實(shí)際上就是截面延性的要求或者等級(jí)，本質(zhì)上和“鋼標(biāo)”截面等級(jí)是一回事，表達(dá)塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)耗能能力。
但是上述的要求是根據(jù)抗震等級(jí)來(lái)提的，強(qiáng)制性要求鋼結(jié)構(gòu)框架都得延性耗能，同時(shí)要求延性構(gòu)造，控制板件寬厚比——烈度大地震作用大就嚴(yán)一點(diǎn)，和“鋼標(biāo)”的抗震設(shè)計(jì)概念不同（后續(xù)的專題會(huì)專門(mén)討論）。
“抗規(guī)”第9章，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房和多層鋼結(jié)構(gòu)廠房中的單層及不超過(guò)40m的，有如下的規(guī)定：
并在條文說(shuō)明中給出了三類截面等級(jí)A、B、C：
腹板寬厚比限值的72（Q235）和130（Q235），實(shí)際上沿用了塑性設(shè)計(jì)和梁腹板彈性屈曲的數(shù)值。
“抗規(guī)”第9.2節(jié)這些規(guī)定，實(shí)際上是“鋼標(biāo)”第3章截面等級(jí)以及第17章“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”的前身和影子。
四、設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用截面等級(jí)？
截面等級(jí)實(shí)際上和構(gòu)件承載力以及抗震設(shè)計(jì)密切相關(guān)。稍微翻一下“鋼標(biāo)”就能看到，截面等級(jí)在構(gòu)件強(qiáng)度計(jì)算的各章以及第17章“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)”中都出現(xiàn)了，甚至可以說(shuō)它串起了各章節(jié)。這也是為什么第一個(gè)專題要說(shuō)它的原因。設(shè)計(jì)中怎么用，很難一兩句話說(shuō)清楚，在后續(xù)的專題中，尤其是抗震設(shè)計(jì)中，會(huì)詳細(xì)說(shuō)明截面等級(jí)怎么用。
五、后續(xù)專題（暫定）
初步擬定了一些專題，過(guò)程中可能會(huì)有調(diào)整，有空繼續(xù)：
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（2）——新術(shù)語(yǔ)解釋
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（3）——門(mén)規(guī)、抗規(guī)、鋼標(biāo)的邏輯關(guān)系
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（4）——抗震設(shè)計(jì)
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（5）——梁的整體穩(wěn)定
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（6）——梁的局部穩(wěn)定
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（7）——節(jié)點(diǎn)域設(shè)計(jì)
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（8）——柱腳設(shè)計(jì)
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（9）——疲勞設(shè)計(jì)
《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》解說(shuō)專題（10）——關(guān)于屈服承載力和塑性承載力
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來(lái)源：從鋼結(jié)構(gòu)到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑，作者： 牛必任，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們。
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