稍微翻一翻《钢标》就能发现,截面等级S1、S2、S3、S4、S5在构件强度计算的各章以及第17章“钢结构抗震性能化设计”中都出现了,可以说这个参数是钢结构设计无法回避的参数,所以,很有必要把“宽厚比等级”这个概念理解透彻。 钢结构构件是由板件(平板或曲板)组成的。板件只受拉力时,理论上钢材可以达到屈服甚至更高的强度,但受压力时就存在局部失稳的可能性,而局部失稳的屈曲荷载与板件的宽厚比有关,宽厚比越大,屈曲荷载则越小。因此,构件能达到多大的承载力,以及是否能够发挥其变形能力,就和板件的宽厚比有关。工程设计上,将构件的截面按其板件的宽厚比划分成不同的类别,对应截面不同的承载能力和变形能力。
稍微翻一翻《钢标》就能发现,截面等级S1、S2、S3、S4、S5在构件强度计算的各章以及第17章“钢结构抗震性能化设计”中都出现了,可以说这个参数是钢结构设计无法回避的参数,所以,很有必要把“宽厚比等级”这个概念理解透彻。
钢结构构件是由板件(平板或曲板)组成的。板件只受拉力时,理论上钢材可以达到屈服甚至更高的强度,但受压力时就存在局部失稳的可能性,而局部失稳的屈曲荷载与板件的宽厚比有关,宽厚比越大,屈曲荷载则越小。因此,构件能达到多大的承载力,以及是否能够发挥其变形能力,就和板件的宽厚比有关。工程设计上,将构件的截面按其板件的宽厚比划分成不同的类别,对应截面不同的承载能力和变形能力。
根据截面承载力和塑性转动变形能力的不同,国际上一般将钢构件截面分为四类,如《EN 1993 欧洲规范3:钢结构设计》5.5节的“横截面分类”定义了4类横截面:
1类横截面:指那些可形成塑性铰,并且塑性铰有塑性分析所需的转动能力,同时承载力不降低的横截面;
2类横截面:指可以产生塑性弯矩抗力,但局部屈曲使其具有有限的转动能力的横截面;
3类横截面:指假定了一种应力弹性分布的钢构件的最外缘受压纤维的应力可达到屈服强度,但局部屈曲倾向于防止塑性弯矩抗力产生的横截面;
4类横截面:指那些一处或多处在达到屈服应力之前将会出现局部屈曲的横截面。
旧《钢规》关于截面板件宽厚比的规定分散在受弯构件、压弯构件的计算及塑性设计各章节中。结合欧洲标准,同时考虑到我国的钢结构设计现状,新《钢标》将截面根据其板件宽厚比分为5个等级,具体情况如下表及下图所示。
宽厚比等级对应的塑性变形能力
截面的分类及其转动能力
通过对比可以看出,我国《钢标》中的S1、S2、S4、S5,分别与欧规的S1、S2、S3、S4相对应。多出的S3截面为我国规范特有的考虑一定塑性发展的弹塑性截面,这主要是基于旧《钢规》中受弯构件一直以来都考虑了塑性发展系数(即可部分发展塑性的截面),故而截面分类中增加了S3。
《钢标》表3.5.1、表3.5.2所给出的各等级的宽厚比限值,主要是依据板的弹性稳定理论,同时参考了国外规范以及一些经验值给出的。
以上内容及《钢标》3.5节的讲述会让人感觉费解。关于截面分类,更通俗点说:
① 截面板件宽厚比,是截面厚实程度的一个度量。从本质上来说,它直接决定了钢构件的承载力、受弯及压弯构件的塑性转动变形能力(延性耗能能力)。换句话说,截面等级就是截面承载力和塑性转动能力的表征。因此,从承载力角度来说,截面等级是板件易发生屈曲程度和截面塑性发展程度的度量;从塑性设计和抗震设计角度而言,是截面塑性转动和延性耗能能力的等级。
② 板件为S1级意味着特厚实截面;板件为S2级意味着厚实截面;板件为S4级意味着非厚实截面、板件为S5级意味着薄柔截面。
另外需要说明的是:
① 宽厚比等级S1~S5是针对板件而言的,而不是针对截面,更不是针对构件;
②《钢标》表3.5.1只列出了常用截面(工字形、H形、箱形和圆钢管截面),对其他截面的板件宽厚比等级划分,需专门研究,换而言之,对上述常用截面以外的其他截面类型,目前尚无法直接按《钢标》进行板件宽厚比等级的划分,实际工程设计时,应尽量采用表3.5.1中规定的截面类型,以简化设计。必须采用其他截面形状时,应采用直接分析设计法。
知识点:截面板件宽厚比等级S1、S2、S3、S4、S5的来龙去脉