《钢结构设计标准》——截面板件宽厚比的应力修正

“钢标”引入了截面板件宽厚比应力修正的概念，好像看懵掉的人不少，今天来扯扯。

一、3.5.1条，注5：当按国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第9.2.14条第2款的规定设计，且S5级截面的板件宽厚比小于S4级经εσ修正的板件宽厚比时，可视作C类截面。

先看看下面的钢结构板件弹性稳定公式。根据S4级截面定义，可以这么来理解：S4级截面的宽厚比限值表示截面的边缘纤维达到屈服强度时，板件刚好发生局部屈曲。因此，临界宽厚比（宽厚比限值）表现为与屈服强度的平方根成反比，而表3.5.1中S4级截面的宽厚比限值就是按这个公式用屈服强度得到的结果。

那么问题来了，如果实际结构中的构件，无论在哪个工况下，截面边缘应力都没达到屈服强度（你就简单理解为应力比小于1.0吧），那么，这时截面发生弹性屈曲的临界宽厚比就不再是基于屈服强度得到的表3.5.1的数值，而应该是稳定公式用截面实际的最大应力得到的结果吧？那根据上面的稳定公式，针对实际最大应力的临界宽厚比（宽厚比限值），不就是用表3.5.1的限值乘上那个应力修正系数（屈服强度与最大应力比值的平方根）来修正？

那么，按照表3.5.1限值本来属于S5级截面的，是不是有可能当成S4来看待呢？比如说，假设Q235纯弯构件，腹板宽厚比150（在S4级124和S5级250限值之间），应力比（最大应力与屈服强度的比值）为0.49。对它而言，S4级截面的宽厚比限值就变成了124/0.7（即√0.49）=177。梁的腹板宽厚比为150，不超过177，在所有工况下它的腹板就不会发生弹性屈曲，即实际符合S4级截面的要求（当然你也可以按稳定公式的稳定应力来判断）。

因此，不难看出，表3.5.1注5的那句话实际应该更准确地表达为：“按表3.5.1属于S5级截面的板件宽厚比，如小于表3.5.1中S4级经εσ修正的板件宽厚比限值时，可视作C类截面。”此外，应力修正后的S5级截面是否可以视为S4级（道理上等同于C类截面），这儿也应明确，因为这涉及到第17章抗震性能化设计时的具体要求（本文后续部分会谈）。从道理上而言，S5级截面宽厚比经应力修正后可视作S4级的做法既然在《建筑抗震设计规范》钢结构厂房中适用，在其它钢结构抗震中也应可行。

另外，条文说明表示：“表3.5.1压弯构件腹板的截面板件宽厚比等级限值与其应力状态相关，除塑性耗能区部分及S5级截面，其值可考虑采用εσ修正。”这个说法实际也不够准确，更容易误导。不难看出，本文讨论的宽厚比修正关系是基于弹性稳定的情况，也就是说仅仅对某些S5级截面在特定条件下可作为C类（S4级）截面，而S1~S3级截面涉及弹塑性稳定问题，并不适用，规范不如这么明确说明为好。此外，这儿单独表述“压弯构件”也不妥，是不是还包括纯弯构件呢？

这儿还需要另外说两个问题：一是规范没说明那个应力修正的最大应力是设计值还是标准值；第二，规范没说那个最大应力是什么工况组合下，地震组合工况？非地震组合工况？还是所有工况？你觉得这两个问题的答案是啥？

二、类似的还有7.3.2条，关于轴心受压构件的板件宽厚比限值修正，这又是个啥意思？

按照上述讨论的概念，7.3.2条针对轴压构件的板件宽厚比限值修正就好理解了。

受压构件控制受力的极限状态并不是截面边缘屈服，而是整体失稳，因此7.3.1条给出的板件宽厚比限值是根据等稳定原则给出的（可以看到7.3.1的公式与长细比挂钩，根据板件局部失稳与构件整体失稳同时发生而导出），因此这儿的修正系数相应地变成了稳定承载力与轴力比值的平方根。

3、实际17.3.1条也有宽厚比修正的概念：

按条文说明的说法，“由于地震作用的不确定性，而截面板件宽厚比为S5级的构件延性较差，因此对其使用范围作了一定的限制”，但实际上17.3.1条前半部分已经限定了S5级截面的适用范围，即50m以下、设防烈度7度以下的多高层及低层钢结构。但后半句规定显然不妥。举个例子，如果设计的是一个门式刚架结构，本来妥妥的采用S5级截面，“钢标”的抗震性能化设计也和门刚是兼容的。可现在按照这个要求，得把应力比控制得很小，显然没这个必要，也没有理论依据和支撑，显得不伦不类。而本来采用S5级截面的结构，按“钢标”抗震性能化设计，地震作用就用得较大，从抗震设计原理而言已无必要再作受力方面的要求。

另外，根据前文所述，按3.5.1条注5的意思，如果S5级截面应力修正后可视作S4级，而“钢标”这条要求实质就变成了抗震设计的钢结构均宜满足S4级截面。乱了，全乱套了，估计你看得也错乱了，“钢标”还不如像下面两种方法取其一处理：

1）按“钢标”17.3.1条目前定的S5级截面适用范围，但要求其中的某些结构，比如低层以外的，S5级宽厚比应力修正后需满足S4级要求，同时在3.5.1条明确仅对S5级截面应力修正后可视作C类截面，但不视作“钢标”第17章抗震性能化设计时的S4级截面（这是折中方案，逻辑上有点粗暴，但按“钢标”现状只能这么理解）。

2）把S5级截面的适用范围限制得再严一点，比如仅适用于低层和7度以下的低多层钢结构。同时允许S5级截面应力修正后视作S4级，与《建筑抗震设计规范》钢结构厂房的宽厚比修正同样对待（似乎是最合乎逻辑也更清晰的解决方式）。

（编辑：奚雅青）

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