中美钢结构设计规范对比及工程应用分析

陈永强

（蓝星工程有限公司，北京100143）

1 引言

我国钢结构设计起步相对较晚，美国作为第一阵营的发达国家。本文以我国GB 50017—2017《钢结构设计规范》为基准，对比美国钢结构AISC-ASD、AISC-LRFD 以及AISC360 等标准。

2 中美钢结构设计规范对比及工程应用分析

2.1 受压件宽厚比

实腹轴心受压构件要求不出现局部失稳，基于我国GB 50017 规范，其板件宽厚比应符合下列规定：

H 形截面腹板的宽厚比为：

式中，λ 为构件的较大长细比，当λ＜30 时，取30；当λ＞100时，取100；h0、tw分别为腹板计算高度和厚度，按GB 50017—2017 表3.5.1 的注2 取值；εk为钢号修正系数。

H 形截面翼缘板的宽厚比为：

式中，b和tf分别为翼缘板自由外伸宽度和厚度。

T 形截面翼缘宽厚比限值按式（1）确定。

T 形截面腹板宽厚比限值为：热轧剖分T 形钢：h0/tw≤（15+0.2λ）εk；焊接T 形钢：h0/tw≤（13+0.17λ）εk。对于焊接构件，h0取腹板高度hw；对于热轧构件，h0取腹板平直段长度，简要计算时可取h0=hw-hf（hf为角焊缝的焊脚尺寸），但不能小于hw-20mm[1]。

2.2 轴心受拉和受压强度计算

据我国GB 50017—2017，轴心受拉和受压强度计算方法为：

非高强度螺栓摩擦型连接处：

强度螺栓摩擦型连接处按式（5）计算：

式中，δ 为截面强度；N为所计算截面拉力设计值；An为净截面积；f为钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值；n为节点处构件一端连接的高强度螺栓数；n1为所计算截面高强度螺栓数，A为毛截面面积。

美国规范（AISC360）中受拉构件设计有2 种方法，即分别按照ASD 方法（用抗拉强度Pn/Ωt）和LRFD 方法（抗拉强度φtPn）进行设计。依据全截面受拉屈服和净截面受拉断裂时的两种极限强度的较小值考虑：净截面：Pn=FuAe（Ωt=2.00，φt=0.75）；全截面：Pn=FyAg（Ωt=1.67，φt=0.9）（其中，Ae为有效净面积；Ag为构件毛截面积；Fy和Fu为最小屈曲应力及钢材类型；Pn为标称轴向强度；Ωt为拉紧时安全因素；φ 为阻力因素）。

通过中美两国钢结构设计规范比较规范可以看出，中美规范中都对净截面断裂和毛截面屈服进行了规范设计，美标对净截面设计更加详细（尤其是对效率问题进行了设计），我国相关规范则没有对此进行设计。

2.3 受弯构件设计

我国GB 50017—2017 对受弯构件的强度做了如下描述：

在主平面内受弯的实腹构件，其受弯强度应按式（6）计算：

在最大刚度主平面内受弯的构件，其整体稳定性应按式（7）计算：

式中，Mx、My为同一截面处绕x、y轴产生的弯矩；Wnx、Wny为x、y轴净截面毛量；rx、ry为对主轴x、y截面塑性发展系数；ψb为梁的整体稳定系数。Wx、Wy为对强轴和弱轴的毛截面量。

美标（AISC360，F 章节）中要求根据对应状态选择相应公式进行计算，如针对双轴对称I 型截面或槽型截面绕强轴弯曲的计算，应根据截面屈服和水平扭转屈曲（弯扭屈曲）两种极限状态最小值：当Lb≤Lp时，不发生水平扭转屈曲；Lb＞Lr时，Mn=FcrSx＜Mp，否则Mn=Cb{Mp-[Mp-0.7FySx（Lb-Lp）/（Lr-Lp）]}≤Mp（式中，Fcr为临界应力；Sx为在x轴线附近所采取的弹性截面模量；Fy为正在使用的钢材类型中特定的最小屈服应力；Cb为非均匀力矩图表在无支撑片段得到支撑时的侧向扭转压修订因素；Mp为塑性弯矩；Lb为限制受弯构件受压翼缘侧向位移或截面扭转的支撑间距；Lr为非弹性水平扭转屈曲侧向无支撑临界长度；Lp为用于限制屈服时的限制侧面无支撑长度）。

通过中美两国钢结构设计规范比较可以发现，我国受弯构件承载力计算是利用精确计算法进行整体稳定性设计，公式适用性更强；而美标抗弯强度设计值为ψbMn（ψb为0.9 时），除验证整体稳定性外，还会对非厚实、柔薄截面腹板局部屈曲进行验算[2]。需要说明的是仅仅通过上述3 个实例是不可能全面对两国钢结构规范设计体系进行比较的，本文只是提供了研究思路，为更深入地研究两国钢结构规范体系提供参考。

3 中美钢结构设计在工程应用中的分析

应用相同钢材料——国标Q345，采取表，中规范强度设计载荷组合，进行钢结构工程应用设计。

表1 中美规范强度设计荷载组合

通过梁构件美中应力比值数据比较可以得到，中美标准下梁结构应力比差别接近。由表2 柱构件中美应力比值数据可以得到，中美标准下柱结构应力比差别接近。

表2 柱构件比较

由表3 垂直支撑构件美中应力比值数据可以得到，中美标准下垂直结构，美国规范要好于我国。两国标准体系下默认为相同截面，分别对比梁、柱和支撑构件应力发现，钢结构梁构件和柱构件的设计方面中美两国安全水平相似，支撑构件方面，美国明显好于中国。

表3 垂直支撑构件比较

4 结语

本文以钢结构概念为切入点，简要介绍了我国和美国钢结构设计规范背景，并以此选取若干规范内容对两国规范体系进行简要的对比，最后介绍中美两国钢结构设计工程应用设计，对比发现我国钢结构设计规范方面经过几十年的发展，已有长足的进步，具备了自身的特点和特色。