沈祖炎院士:关于钢结构设计规范发展的几点思考
2016-12-05 08:23:46

内容提要:报告回顾了我国钢结构设计规程编制和历次修改的过程,阐述了我国钢结构设计规范适用范围在历次版本中的逐步扩展与我国钢结构工程不断发展的关系;

对我国钢结构设计规范水平逐步提高的理论研究成果进行了概述,包括钢结构材料研究成果、二阶弹塑性分析理论研究成果、设计方法的研究成果以及设计手段的发展等;

剖析了我国钢结构设计规范科技内容的创新离不开我国钢结构高级人才的有效培养;

针对我国20世纪70~80年代钢结构规范管理部门在规范修编规划、组建修编队伍、确定规范研究课题内容以及制订规范条文的把关制度等方面进行了分析,得出了我国钢结构规范技术水平能进入世界先进行列是我国规范管理部门尽职管理的结果的结论。

最后,在分析我国规范编制现有体制以及存在的问题的基础上,借鉴70~80年代钢结构规范修编的成功经验,对我国钢结构设计规范今后修编体制的提出了建议。

沈祖炎院士:关于钢结构设计规范发展的几点思考

 

 

中国工程院院士、同济大学教授 沈祖炎

目录

一、前言

二、我国钢结构设计规范适用范围的拓展动力

——我国钢结构工程的持续发展

三、我国钢结构设计规范水平提高的理论支撑

——我国钢结构,科研水平的迅速提升

四、我国钢结构设计规范科技内容的创新源泉

——我国钢结构高级人才的有效培养

五、我国钢结构设计规范,修编成功的体制保障

——我国钢结构规范尽职管理的管理部门

六、我国钢结构设计规范今后修编体制的建议。

一、前 言

我国钢结构发展日新月异,取得了令人瞩目的成就。

▶1996年起,我国钢产量已跃居世界第一。

▶国家经济发展突飞猛进,为钢结构发展创造了条件。

▶目前我国钢结构技术的发展,能够满足钢结构领域的建设要求,从提升和国际发展水平相当,部分领域走在世界前列。

另一方面,仍有不足。

▶我国当前建筑钢结构用钢占总钢产量的比例只有4%左右,而且建筑钢结构在整个建筑行业所占比例还不到5%。

▶在钢结构体系创新,高性能钢材应用及单体建筑用钢指标等方面明显不足。

二、我国钢结构设计规范适用范围的拓展动力

——我国钢结构工程的持续发展

2.1 20世纪50年代的钢结构设计规范

▶20世纪50年代前,没有有关钢结构设计的技术标准。

▶1954年,颁布《钢结构设计规范试行草案》(归结-4-54)

•内容主要参考前苏联1946年的规范

•为新建工程建设中实腹梁和柱,桁架以及铰接等的设计使用。

▶1955年决定采用前苏联颁布的新的钢结构设计规范HHTY121-55,满足前苏联援建工程使用。

2.2 20世纪60年代的钢结构设计规范

▶1962年,组织编制适用于工业厂房的钢结构设计规范

•满足建设项目中工业厂房钢结构设计的需要

•1964年完成讨论稿(五稿),但遭受文革冲击,未能获得颁布。

2.3 20世纪60年代的冷弯型钢结构设计规范

▶1969年,颁布《弯曲薄壁型钢结构技术规程草案》

•满足援外工程采用大量冷弯薄壁型钢结构的需要

•组织同济大学和北京金属结构设计室进行了系统的试验和理论研究

•是我国第一本冷弯薄壁型钢结构的设计规范

•适用于由冷弯形结构构成的檩条、屋架和钢架等。

2.4 20世纪70年代的钢结构设计规范

▶20世纪70年代初编制完善自己的国家技术标准体系

•国家下决心编制和完善自己国家技术标准体系

•规范管理组集中一批大学教授研究院研究员,和建设部门的高级工程师,脱产▶进行规范课题研究和规范编制工作。

•1974年颁布钢结构设计规范(试行)TJ17-74

•1975年颁布薄壁型钢结构技术规范TJ18-75

2.5 20世纪80年代的钢结构设计规范

▶1975年~1985年,对两本木柜中百余个专题开展研究

▶1975年以后的十年中规范管理组又组织全国几十家单位对规范中的百余个专题开展研究

▶1981年开始对《钢结构设计规范》和《薄壁型钢结构技术规范》进行修订。

▶1987年颁布修订后的《冷弯型薄壁型钢结构技术规范》GBJ18-87

▶1988年颁布修订后的《钢结构设计规范》GB17-88

•根据工程应用的需要,在冷弯型钢规范中增加了压型钢板的设计,在钢结构规范中增加了单层和二层框架结构、钢管结构和钢与混凝土组合梁等的设计内容

2.6 20世纪90年代的钢结构设计规范

▶20世纪90年代以后,各种类型的钢结构被大量采用,各种专业规范相继编制和颁布

•《网架结构设计与施工规范》JGJ7-91

•《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-98

•《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:98等等,如雨后春笋般

2.7 21世纪初的钢结构设计规范

▶21世纪以来,随着我国经济建设的迅速发展,钢结构在各类建筑中广泛应用

1997年和1998年,先后对《钢结构设计规范》和《冷弯薄壁型钢结构设计规程》进行修订

▶2002年,颁布修订后的《冷弯薄壁型钢结构设计规程》GB50018-2002

▶2003年,颁布修订后的《钢结构设计规范》GB50017-2003

•在冷弯型钢规范中,增加了压型钢板楼板、薄壁型钢墙梁、多跨门式刚架的设计内容

•在钢结构规范中,增加了高层钢结构、大跨度屋盖、高寒冷地区结构、矩形钢管结构的设计内容

2.8钢结构设计规范的适用范围,将继续随我国钢结构工程的应用持续发展

▶冷弯型钢因截面用料经济,加工简便,在各类结构中得到应用

▶应将冷弯薄壁型钢结构的设计纳入相应设计规范

▶应将钢结构在抗震设防地区的设计方法纳入设计规范

 

▶正在修订的两本母规已纳入冷弯厚壁型型钢结构及钢结构抗震设计的相关内容

三、我国钢结构设计规范水平提高的理论支撑

——我国钢结构,科研水平的迅速提升

3.1钢结构材料研究成果的支撑

▶钢材屈服强度从215N/mm2提高到460N/mm2

•钢材强度提高后,其残余应力和几何缺陷对构件的各类稳定系数、板件的宽厚比限值以及疲劳计算影响的系统研究,是我国所用钢材能与国际保持对应关系

▶钢材厚度从20mm增加到100mm

•通过研究钢材厚度增加引起的焊接残余应力的增加,屈服强度的降低以及厚度方向塑性性能的降低对结构性能的影响以及应采用的措施,大大提高了厚钢板使用的安全性

▶铸钢节点广泛应用和研究

•提出了铸钢节点的承载力极限状态和设计方法

•膜材、结构玻璃材料和钢索的应用和研究

•对结构体系、结构分析、理论结构、构造结构的制作和安装都提出了新的方法

3.2二阶弹塑性分析理论研究成果的支撑

▶各类构件的整体稳定承载力计算,从近视的、经验的计算走向系统的、理论的计算

•轴心受压、受弯和压弯构件的弯曲失稳、扭转失稳、弯扭失稳和畸变失稳等

▶各类板件的局部屈曲和屈曲后承载力计算,从基于试验的计算逐步走向基于较为理论的计算

•两边支承、一边支承一边自由和一边支承一边部分支承板件以及版组在面内均匀受压和不均匀受压等

采用统一公式计算各类板件的屈曲后承载力和板组对屈曲后承载力的影响

▶构建的各类稳定相关失稳的计算,从无法全面计算走向了能用一个统一的公式进行计算

•轴心受压、受弯构件、弯压构件的整体、局部和畸变屈曲相关失稳等

•采用数值计算等方法的全面和系统的研究

▶各类节点承载力极限状态的计算,从基于试验的计算走向基于有限元分析和试验验证相结合的计算

•桁架节点、框架梁柱节点、钢管相贯节点、铸钢节点以及各种复杂受力状态的节点等

•大大减少了节点的用钢量,提高了结构的可靠性。

▶钢结构整体承载力的计算,从无法进行,进入到采用考虑结构和构件初始缺陷的双非线性分析直接分析设计法

•大跨度结构的整体稳定,超静定钢结构的塑性设计和调幅设计、抗连续倒塌设计等

•有望将钢结构设计从构件层次提升到整个结构层次

▶钢结构构件、节点和整体结构抗震性能,使钢结构基于性能目标的抗震设计方法得以顺利实施

•各类受力构件的恢复力模型、梁柱节点和节点域的恢复力模型以及结构整体的弹塑性抗震性能等

▶钢结构构件和整体的抗火性能,都能通过双非线性有限元计算得到

•各类受力构件在高温时的承载能力和结构整体在火灾环境下的温度场及内力分析等

•为基于性能目标的抗火设计提供可靠依据

▶钢结构各种张拉结构的应用与推广

•张弦梁、斜拉网架、索桁架、悬索、索穹顶、索结构、膜结构和索膜结构在二阶弹性分析理论的支撑下得到快速发展

3.3设计方法研究成果的支撑

▶钢结构设计方法经历了几次重大的变革和进展

•20世纪50年代:容许应力设计法

•1975~1974年:前苏联的三系数的极限状态设计法

•1974~1987年:基于极限状态、多系数分析的考虑调整系数的容许应力设计法

•1988年以后:以概率论为基础的极限状态设计方法,并以分项系数设计表达式进行计算

▶设计方法的改变是钢结构设计的安全性以完全基于经验转变为基于概率论并以失效概率为度量的标准

3.4设计手段发展的支撑

▶我国一直到20世纪70年代末,设计工具一直是计算尺和图板、丁字尺,设计效率低,质量不易控制

▶20世纪80年代起,开始使用计算机软件设计和CAD软件绘图,设计效率大幅提高,设计质量易于保证

 

▶最近,设计单位均在准备或正在设计中采用BIM技术,将为结构设计的发展带来新动力

四、我国钢结构设计规范科技内容的创新源泉

——我国钢结构高级人才的有效培养

4.1钢结构方向研究生的有效培养

▶20世纪80年代以来,我国培养了一大批钢结构方向的硕士和博士研究生,结合钢结构工程应用的发展,针对各种钢结构体系进行了系统研究,为钢结构设计规范科技内容的创新提供了人才保障

▶钢结构方向的硕士和博士研究生,其学位论文针对钢结规范中未明确规定的工程新技术或难题以及规范发展有关的应用基础理论进行研究,研究成果为规范修订提供了重要的、很有价值的参考资料

4.2钢结构方向高级工程师的有效培养

 

▶随着我国经济的高速发展,钢结构工程在各类建筑中的应用越来越广泛,培养了大批钢结构方向的高级工程师,为钢结构设计规范的创新内容提供了珍贵的实践经验

五、我国钢结构设计规范,修编成功的体制保障

——我国钢结构规范尽职管理的管理部门

5.1 20世纪70~80年代,我国钢结构规范修编最为成功

▶规范管理部门禁止管理的结果

•组织了一支水平高又对规范修编热心的修编队伍

•对规范的修编规划做了顶层设计

•讨论确立了规范修编有关的研究课题

•组织了有权威性的课题研究队伍

•制定了对课题研究成果必须经过专家鉴定才能提交规范组采纳或参考的质量严格把关制度

•坚持规范修订条文必须经过全体编制组人员讨论,并获得通过才能纳入规范的规定

▶一批规范课题的研究成果奠定了规范修编的基础

•20世纪70年代组织完成的一批规范课题,为我国第一本钢结构规范提供了我国自行研究得到的成果

•20世纪80年代针对70年代规范的不足,组织完成的100余项规范课题的研究成果,为我国钢结构规范打上了自主创新的烙印

5.2经过20年的努力到20世纪80年代,我国钢结构规范已具有明显的特色,进入国际先进行列

▶规范具有下列明显特色

•采用了以概率论为基础的极限状态设计方法,用分项系数的设计表达式进行计算

•采用了国产普通碳素钢和低合金钢以及焊接和高强度螺栓的材料

•在受弯和压弯构件的强度计算中引进截面塑性发展系数

•轴心受压构件的稳定计算采用多条曲线

•压弯构件的整体稳定性采用相关公式计算

•受压构件的局部稳定采用等稳定原则计算

•疲劳计算采用应力幅法

•直角焊缝采用考虑应力方向的计算方法等等

▶对冷弯型钢规范还具有下列特色

•计算单轴对称压杆稳定时,考虑弯扭失稳

•荷载偏离弯心的受弯构件,考虑双弯矩

•变截面刚架柱的计算长度系数

▶规范下列方面的水平处于国际前列

•采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法

•在受弯和压弯构件的强度计算中引进截面发展系数

•轴心受压构件的稳定计算采用多条曲线

•疲劳计算采用应力幅法

•直角焊缝采用考虑应力方向的计算方法

•计算单轴对称压杆稳定时,考虑弯扭失稳

•荷载偏离弯心的受弯构件,考虑双弯矩

钢结构规范取得上述成果,规范管理部门的尽心尽责管理是分不开的

▶规范管理部门的这些成功经验应该与以推广

•规范管理部门应了解自身的管理职责

 

•规范管理部门应该由具有良好的技术水平,热心规范工作的专人负责。

六、我国钢结构设计规范今后修编体制的建议

6.1我国规范现有体制

▶规范的层次

•具有四个层次,即国家标准、行业标准、地方标准和标准化协会标准

•国家标准为最高层次,其余三类均应符合国家标准的要求

▶规范的性质

•分两种性质,即“规范(GB)”和“推荐性规范(GB/T)”

•规范为应按照执行,推荐性规范为建议执行

•规范(GB)中还有强制性条款(应严格执行)和一般条款

▶规范的责任

•规范具有法律效应:按规范执行发生事故,主要责任在规范

•采用新技术,不按规范执行,需政府审批,手续繁杂

•经审批通过,如果发生事故,主要责任仍在使用方

▶规范执行的审查

•是否按规定执行,有严格的审批程序

•项目承担单位的资质、项目承担人的注册资格均需通过政府认定

•项目的初步设计和项目开工许可须经政府审批

•施工图需要审图单位审图同意

•现有体制已被社会认可和执行

6.2现有体制存在的弊端

▶最新成果进入规范往往滞后数年甚至十余年,致使我国规范水平落后,或与规范由政府部门掌握,人手不足,经费短缺有关

▶不利甚至阻碍技术创新成果的及时使用和推广

▶“钱与名利交易”以及“技术领域不端行为”时有发生,且愈演愈烈的趋势

•或许是我国标准的体制将规范的编制提升到国家水平成果的必然结果

•主持或参加规范编制与企业资质的评定挂钩,容易出现钱与“名利交易”

•主编或参编规范与个人的业绩或职称提升挂钩等等,容易出现“技术领域不端行为”

6.3对今后规范体制的建议

▶国家只管少量用度广泛带有基础性的国标,可以定名为法规,《钢结构技术法规》是其中之一

•全国行业协会管理其它钢结构有关的专项规范

•地方行业协会管理地方有特色的陪伴

•全国工程建设标准化协会管理具有创新内容的推荐试用的规范

6.4关于国家标准《钢结构技术法规》编写的思考

▶编写范围应包括三个部分,即设计、制作和验收

▶编写收入的内容应是有普遍性和基础性的,即行业协会所管理的专项规范中有两本规范会用到的内容

▶国家标准已定位为“法规”,应不再设强制性条款

又因为工程问题的解决可以有多种方案,规范条文还允许使用者采用创新技术

6.5关于编制组的组成原则

▶编制组应是一个具有延续性的永久工作机构

▶编制组应由规范审批部门指定挂靠单位

•挂靠单位应设立规范管理办公室

•规范管理办公室兼作编制组的办事机构

▶编制组设组长一人,由编制人员投票选出

▶编制组在组长带领下对规范编制质量负责

6.6编制组已明确编制的方式和原则,编制组应制定有关规范发展所需研究的课题计划

▶研究计划中的课题应首先由编制人员任担,也可由编制组以外的人员任担

▶编制组每年定期召开二次会议,会期1~2天

•讨论内容主要是各研究课题的进展汇报以及各条修改建议

▶条款修改和新增应由提议人员编制组提出,并提交条款文本和充分的依据及详细的研究报告,需要经全体编制组成员详细讨论后,由无记名投票,同意票超过80%者方可作为正式条款。提议人不限于编制组成员

▶条款有重大修改时,还应组织专家鉴定会,并通过鉴定

6.7编制组应明确编制人员的责任

▶编制组成员任期每届4年,可以连选连任

▶编制组成员应该进行遴选

•首先要对编制规范感兴趣

•其次应对规范内容熟悉,且有一定研究

•再者编制人应该保证有足够的时间用于规范的修订工作,参加编制组的会议

▶编制人应该明确自己的工作是编制国家规范,必须超越自己的研究成果

•应广泛收集国内外研究和实践成果

•通过深入比较和融合提出最适合中国的修改建议

 

作者:沈祖炎,中国工程院院士、同济大学教授。

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