王立军:《钢结构设计规范》回顾与展望
2016-12-15 08:26:03

我国的钢结构设计规范是随着建筑钢结构的应用逐步发展和完善的,经历了74规范TJ17—74、88规范GBJ17—88和03规范GB50017—2003。目前已基本完成对03规范的修订工作,即将颁布的规范下面称之为新规范。

一、74规范

74规范前,我们没有自己编制的钢结构设计规范,所以说,74规范是我国第一本正规的钢结构设计规范。

旧中国,我们没有自己的钢结构设计规范。1954年,当时的建工部颁布了新中国第一本钢结构设计规范——《钢结构设计规范》试行草案规结—4—54。这本规范的内容等同于前苏联的1946年规范。

1956年,当时的国家建委提出改用前苏联55规范——《钢结构设计标准及技术规范》HиTy121—55,并指出,该规范“有必要在我国推广使用,但暂时还不能作为我国正式的设计规范。

1960年起,我国组织力量,开始编制我们自己的规范,先后出了5稿。后来遇上文革,1966年工作停顿,文稿丢失。

70年代初,国家下决心编制自己的规范,解决设计规范的空白。由于原负责编制的单位解散,资料散失,一切从头开始。

这次调集了包括设计、科研和高校的各方人员,拨发了充足的试验经费和必要的钢材指标,集中力量从事规范的课题研究。由当时的冶金部北京钢铁设计院负责牵头主编,期间完成了大量理论分析和试验研究工作,仅轴压构件就做了107根试件的试验。

74规范采用容许应力法,是一种半概率、半经验的极限状态法。受弯构件,虽然规范有部分内容与原用的苏联规范相同,但轴压构件、压弯构件的稳定系数都不同于原苏联规范,体现了自己的研究成果。规范以重型钢结构厂房为对象,并结合当时情况,增加了圆钢、小角钢轻型结构,还有三肢式格构柱压杆的计算。

74规范不仅解决了设计规范的有无问题,还为我国钢结构基本性能的研究打下了良好的基础,培养了一批钢结构人才,具有深远的影响,是我国钢结构技术史上的一块里程碑。

二、88规范

88规范采用《建筑结构设计统一标准》规定的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。疲劳计算仍采用容许应力法,但以压力幅准则代替了以前的应力比准则,增加了塑性设计、钢管结构和钢与砼组合梁三章内容。

88规范对74规范做了较全面的修订,反应出当时国内钢结构领域的发展水平,体现了向国际接轨,吸收了新技术成果。轴压柱子曲线由一根改为三根,压弯构件的稳定计算由单项式改为多项式,增加了多层框架柱计算长度系数,钢材方面增加了390级的15MnV钢,高强螺栓方面增加了承压型高强螺栓连接。

三、03规范

03规范引进了如二阶分析、屈曲后强度等先进技术,进一步适应钢结构的应用和扩展。

在钢材方面增加了Q420钢,柱子曲线上增加了厚壁压杆的d类φ曲线,给出了单轴对称弯扭屈曲的计算公式。增加了大跨度屋盖结构设计和构造要求、寒冷地区抗脆断的构造要求,增加了方管桁架。

四、新规范

纵观上述规范修订的变迁过程,可以看到,我们的钢结构设计规范,在老一辈钢结构人的努力下,从74规范、88规范到03规范,逐步形成了具有中国特色的钢结构设计标准,为我国的工程建设事业做出了重大贡献。

但应当看到,74规范虽经两次修订,但总体来说都是局部性的,经过30多年的改革开放,我国的钢结构应用状况发生了很大变化。随着钢产量由不足到过剩,钢结构的应用从以前仅用于重工业变为目前的广泛应用于工业和民用建筑的各个领域。因此,迫切需要一本适用于当前形势的囊括工业和民用建筑领域的钢结构设计规范与市场接轨。同时,经过多年的改革开放,我们已从过去单纯的学习前苏联转变为向欧美日等发达国家学习先进的钢结构技术。因此,这方面也急需与国际接轨。这两项接轨迫使我们要做出一版全新的钢结构设计规范。

我们想修订的原则还是经济合理、安全可靠。

据此,新规范主要做了以下工作:

1.重新构思规范的总体框架,使其成为能直接应用于设计的规范。

以钢结构设计需求为中心,将规范的内容做了大量补充,增加了钢结构设计的直接分析

法和钢结构性能化抗震设计两项重要内容。

增加了结构体系内容,并对钢框架结构、钢框架—中心支撑结构和钢框架—偏心支撑结

构的抗震设计进行了详细规定。

考虑到钢板剪力墙在钢结构应用中日益增多,增加了带加劲肋的钢板剪力墙一章。

考虑到钢管砼柱作为一种在钢结构中常用的构件形式,增加了钢管砼柱一章。

2.修订和补充了多项原规范内容

材料自成一章,增加了Q460钢和Q345GJ钢,并对钢材的抗力分项系数做了全面修订。

受弯构件修订了稳定计算公式,区分了焊接梁和轧制梁的稳定系数,使前者安全、后者

合理,并使稳定计算与强度计算接轨。

3.增加了直接分析法和钢结构抗震性能化设计内容

在保留计算长度系数法的前提下,增加了考虑P—Δ和P—δ效应并考虑结构和构件初始缺陷的钢结构直接分析法。该计算方法在2005年左右已纳入欧、美及香港规范。

与03规范考虑P—Δ效应的近似二阶分析法相比,直接分析法在钢结构稳定计算方法方面前进了一大步,使钢结构的稳定计算与强度计算统一起来。

新增的钢结构抗震性能化设计一章,以中震设计为出发点,以钢结构构件截面分类为基础,体现高延性、低强度和高强度、低延性的设计方法,使钢结构的设计趋于更合理、经济和安全。

五、展望

新版钢规应是承上启下的一版,应该说在钢结构设计规范的内容体系,与国际接轨方面都做了大量工作。但应当看到,由于我国设计规范方面长期以来沿用的设计方法与国外接轨不够,更缺乏基本研究,因此新规范只能说是做了些布局性工作和部分开拓性工作。以后规范的路还很长,需要做的事还很多。归纳一下,大概有这么几方面的事情要做:

1.加强钢结构体系、钢—砼混合结构体系抗震性能的研究

不同的结构体系,有不同的承载力和延性要求。在结构设计中,要体现高承载力、低延性和高延性、低承载力的设计思想。通过加强对钢结构体系、钢—砼混合结构体系抗震性能的研究,使钢结构抗震设计反映在不同的钢结构体系中。

2.加强钢结构可靠性的研究

目前钢结构的可靠性以抗力分项系数体现,它考虑了材料不定性、几何不定性和计算模

式不定性。对于一种新钢种,要进行大量的试验工作才能得出抗力分项系数,而这势必会影响新钢种包括高强钢、低屈服点钢、耐候钢、耐火钢等新钢种的引入和使用。初步的想法是像欧美那样,考虑材料或受力模式的因素,确定抗力分项系数,如1.1,然后反推钢材的强度指标要求,使其标准值和变异系数控制在一定范围,方便新钢种使用。

3.完善直接分析法

通过大量的工程实例,完善直接分析法的内容,深入研究几何非线性和材料非线性、动

力时程等在直接分析法的应用情况,逐步使其在高层和大跨结构中得到广泛应用。

钢结构设计规范需要改进的地方还很多,在此不一一列举。

仅以此文向几十年来为钢结构设计规范做出贡献的各位专家、同行表示最诚挚的敬意!

参考文献:

1.陈绍蕃,钢结构设计规范的回顾与展望,工业建筑,2009,39(6)

2.沈祖炎,中国钢结构设计规范的发展历程,建筑结构学报,2010.6

3.魏明钟,钢结构设计新规范应用讲解,中国建筑工业出版社,1989

王立军中冶京诚工程技术有限公司结构总工程师。国家标准《钢结构设计规范》国家标准管理组常务副组长及《钢结构设计规范》GB50017-2003修订组主编。多年来一直从事建筑结构设计、咨询、规范编制等工作,现为国家一级注册结构工程师,英国注册结构工程师,香港注册结构工程师,全国超限高层抗震专项审查专家委员会委员,中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会秘书长,中国钢结构协会专家委员会委员、常务理事、房屋建筑钢结构分会副理事长,中国建筑金属结构协会钢结构专家委员会委员,曾主持中国国际贸易中心三期、北京财富中心二期写字楼、建国六十周年天安门广场钢结构观礼台等多个重大设计项目,并获“全国冶金建设高级技术专家”称号、“2010年中国质量评价协会科技创新人物奖”等荣誉。

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