中美钢结构规范关于受压构件的对比研究

发布时间：2020-02-11 13:59

【摘要】：钢结构具有轻质高强、抗震性能好、工期短、绿色环保等优点。因此,被广泛用于国内外的基础建设中。由于中美文化背景、经济技术条件的差异,导致中美两国钢结构规范在设计理念、设计原则甚至设计要求等诸多方面均存在差别。所以本文选择我国的钢结构规范GB50017-2003、GB50017-201X以及美国钢结构规范ANSI/AISC 360-10,从设计方法、强度、整体稳定性、局部稳定性以及刚度四个方面出发,对比研究中美两国钢结构规范关于轴心受压构件和偏心受压构件(压弯构件)的异同,主要进行了以下比较:首先,中美两国钢结构设计规范关于构件设计方法都采用以概率理论为基础的荷载分项系数法,但关于荷载分项系数的取值两国存在差异,本文对该荷载分项系数的取值进行比较。其次,对于受压构件,即轴心受压构件和偏心受压构件(压弯构件),本文从强度、整体稳定性、局部稳定性以及刚度四个方面进行条文和理论的比较,其中重点比较轴心受压构件的稳定性计算,包括整体稳定性的计算、构件宽厚比限值采用的原则以及构件屈曲后强度的计算方法,分析比较造成这些差异的原因。最后,通过有限元ABAQUS进一步分析中美两国压弯构件(偏心受压构件)在不同长细比和偏心率情况下的极限承载力。通过对中美国两国钢结构设计规范以上方面的对比研究,可以得出两国规范在轴心受压构件和偏心受压构件设计上的差异,详见如下:1.中美规范都采用以概率理论为基础的荷载抗力分项系数法进行钢结构设计。但荷载分项系数的取值有所差异,比较可知,ANSI/AISC 360-10的荷载分项系数取值都大于或等于我国GB50017的取值。2.中美规范对轴心受压构件的承载能力极限状态设计都是从强度、整体稳定性、局部稳定性三个方面进行考虑,但采用计算表达式和设计过程存在差异。其中,GB50017-2003采用的是应力表达形式,ANSI/AISC 360-10采用的是承载力的形式,而GB50017-201X在强度验算时采用应力表达形式,在稳定性验算中采用承载力形式;关于轴心受压构件的设计,GB50017要求对构件分别进行强度、整体稳定性、局部稳定性、刚度四个方面验算,ANSI/AISC 360-10则是要求首先进行截面分类,然后根据构件可能发生的屈曲形式进行验算。3.在强度验算中,GB50017-2003采用净截面屈服的原则进行强度验算;ANSI/AISC 360-10将轴心受压和轴心受拉各自作为一个章节,轴心受拉构件按照毛截面屈服和净截面断裂两种情况进行验算,但考虑到轴心受压构件一般不发生强度破坏,故没有进行截面强度验算,若构件截面削弱很大,则要进行强度验算。在整体稳定性验算中,GB50017采用四类柱子曲线,即a、b、c、d四类;ANSI/AISC 360-10只采用单一的柱子曲线,比较中美柱子曲线可知,美国采用的单一柱子曲线相当于我国的b类曲线,在格构式轴心受压构件计算过程中,ANSI/AISC 360-10和GB50017都考虑剪力对构件整体稳定性的影响,且都采用换算长细比的方式。在局部稳定性的验算中,中美规范均采用限制构件宽厚比的方式来控制构件的局部稳定性,但采用的原则不一样,即GB50017-2003采用等稳定原则,ANSI/AISC360-10采用屈曲原则,GB50017-201X同时考虑屈曲准则和等稳定性准则两种情况来确定构件宽厚比限值。比较宽厚比限值可知,ANSI/AISC 360-10中宽厚比限值与构件长细比无关,GB50017中宽厚比限值与构件的长细比有关,相比之下,我国钢结构规范增加了宽厚比限值对于构件缺陷的敏感,美规更加严格。4.中美规范对实腹式压弯构件承载能力极限状态的设计都是从强度、整体稳定性、局部稳定性、刚度四个方面进行考虑;其中,GB50017对强度和整体稳定性的验算采用了不同的线性相关公式进行验算,ANSI/AISC 360-10将强度和稳定性都采用同一个线性相关公式进行计算,然后根据构件截面分类发生的屈曲形式考虑构件是强度破坏还是稳定性问题。在实腹式压弯构件的稳定性计算中,GB50017考虑了压弯构件平面内和平面外的稳定性,并给出相应的计算公式;ANSI/AISC 360-10并没有直接区分构件平面内和平面外的整体稳定性,但ANSI/AISC 360-10首先划分压弯构件中轴力所占的比例,然后通过考虑构件发生弯曲屈曲和弯扭屈曲两种屈曲形式来间接考虑了构件平面内和平面外的整体稳定性。关于局部稳定性,中美规范都采用控制构件宽厚比的方式来控制构件的局部稳定性,GB50017直接给出压弯构件的宽厚比限值,但ANSI/AISC 360-10没有直限值,也要不超过受弯情况下的宽厚比限值。GB50017-201X考虑到构件的局部屈曲对截面承载能力和转动能力的影响程度,将压弯构件的截面分为A、B、C、D、E五接给出压弯构件的宽厚比限值,但要求构件的宽厚比既要不超过轴心受压情况下的宽厚比个等级,GB50017-2003和ANSI/AISC 360-10都没有对压弯构件的截面单独的进行分类。
【图文】：

分岔图,轴心受压构件,分岔,轴压

逦Ｖ逡逑图３－１轴心受压构件荷载－挠度曲线逡逑图３－１为轴心受压构件的荷载－挠度曲线示意图，理想轴压杆的荷载－挠度曲线分岔逡逑出一条水平直线＾对应分岔荷载即为Ｐ？。曲线６和ｃ分别对应于具有几何初始缺陷但逡逑不考虑残余应力构件的弹性荷载－挠度曲线和弹塑性荷载－挠度曲线；对于不考虑几何初逡逑始缺陷但包括残余应力的构件，荷载－挠度曲线如ｃ／所示。实际的轴心受压构件既包括几逡逑何初始缺陷又包括残余应力，为极值点失稳，其荷载挠度曲线如ｅ所示。逡逑关于受压构件的稳定性问题，我国钢结构规范通过引入整体稳定系数ｐ进行稳定性逡逑设计，定性系数＾计算公式详见（３－７），详见如下：逡逑２２逡逑

曲线,钢结构柱,柱子曲线

１／１０００的初弯曲和不同加工条件以及残余应力，计算得到９６条曲线，，同类截面和承载逡逑能力相近的按照平均值（即５０％分位值）划分为ａ、ｂ和ｃ三类柱子曲线，后又增加逡逑适用于厚板构件的ｄ类曲线，柱子曲线详见图３－２，稳定性系数ｐ的计算公式为（３－９）逡逑和（３－１０），其中，参数％、％、％、《４的不同取值对应规范的四条柱子曲线，如表３－３逡逑所示，根据这四条曲线将轴心受压构件的截面划分ａ、ｂ、ｃ、ｄ四类，Ｘ的取值按照公逡逑式（３－１１）计算。逡逑当丁邋Ｓ邋０．２１５时逡逑（ｐ邋＝邋＼－ａ，Ｉ２逦（３－９）逡逑当邋１＂＞０．２１５时逡逑ｃｐ邋＝邋＾＋邋ａ；Ａ邋＋邋Ａ－逦＋邋0＾又邋＋邋又邋￣—邋４Ａ邋￣逦（３－１０）逡逑１邋＝邋－＾－逦（３－１１）逡逑＾邋Ｖ邋Ｅ逡逑２３逡逑
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU391

【参考文献】