什么叫橫截面 視頻講解？

說實話，我不會啊
截面等級“鋼標”在第3.5節(jié)，全新引入了截面板件寬厚比等級(截面等級)的概念。關(guān)于截面等級的涵義、如何理解以及如何應(yīng)用，存在不少的疑問。一、截面等級究竟是個啥意思?首先從表面上來看，鋼構(gòu)件由板件構(gòu)成，而截面等級說的就是截面板件寬厚比等級。截面板件寬厚比，按“鋼標”的條文說明——“截面板件寬厚比指截面板件平直段的寬度和厚度之比，受彎或壓彎構(gòu)件腹板平直段的高度與腹板厚度之比也可稱為板件高厚比?！毙枰⒁?，以往規(guī)范中的“寬厚比”和“高厚比”兩個名詞，現(xiàn)在實際上已經(jīng)統(tǒng)稱為“寬厚比”了。截面板件寬厚比，是截面厚實程度的一個度量。從本質(zhì)上來說，它直接決定了鋼構(gòu)件的承載力、受彎及壓彎構(gòu)件的塑性轉(zhuǎn)動變形能力(延性耗能能力)。換句話說，截面等級就是截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動能力的表征。因此，從承載力角度來說，截面等級是板件易發(fā)生屈曲程度和截面塑性發(fā)展程度的度量;從塑性設(shè)計和抗震設(shè)計角度而言，是截面塑性轉(zhuǎn)動和延性耗能能力的等級。所以“鋼標”按照根據(jù)截面承載力和塑性轉(zhuǎn)動能力，參考國際標準，將截面分為五個等級。實際上這比國際上常規(guī)分為四個等級的做法多了一個等級，是因為老的“鋼規(guī)”中受彎構(gòu)件一直以來都考慮了塑性發(fā)展系數(shù)(即可部分發(fā)展塑性的截面)，因為這個歷史原因，截面增加了一個等級S3。各級截面對應(yīng)的性能，實際上“鋼標”按照截面受彎的力學(xué)性能已經(jīng)給出了很明確的描述：其中尤其需要注意的是，S4級截面，它的界限，是邊緣纖維剛好達到屈服的狀態(tài)。S1~S3級截面，能發(fā)展截面塑性，而S5級截面，在邊緣屈服未達到時，板件就已發(fā)生局部屈曲，只能考慮有效截面進行計算。二、“鋼標”中的截面等級咋確定的?對應(yīng)歐洲規(guī)范EC3的S1~S4截面，“鋼標”將壓彎和受彎構(gòu)件的截面分成S1~S5五個截面等級，其中S1、S2為塑性截面，S4為彈性截面，S3為中國規(guī)范特有的考慮一定塑性發(fā)展的彈塑性截面，S5為薄柔截面?！颁摌恕钡慕孛娴燃壌_定，主要依據(jù)板的彈性穩(wěn)定理論，同時參考了國外規(guī)范以及一些經(jīng)驗值。按照S4級截面描述的邊緣屈服同時板件剛好發(fā)生局部屈曲這個臨界狀態(tài)，可按彈性穩(wěn)定的公式進行板件寬厚比限值(屈服寬厚比)的推導(dǎo)。比如，對工字形截面的翼緣，按三邊簡支一邊自由的板件計算，臨界應(yīng)力達到屈服應(yīng)力235MPa時板件寬厚比為18.6。按屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍適當(dāng)取整，作為五個截面分級的寬厚比限值，并給了一個表格來對比說明。需要說明的是，0.5、0.6、0.7、0.8和1.1這個系數(shù)實際是帶有經(jīng)驗性的。S4級截面按0.8，是考慮了殘余應(yīng)力和幾何缺陷等影響，S5級截面本來應(yīng)該是允許板件彈性屈曲而按照有效截面計算的，但考慮到自由邊板件局部屈曲后可能帶來截面剛度中心的變化，從而改變構(gòu)件的受力，也給了一個限值。腹板的寬厚比(以往習(xí)慣叫高厚比)，按梁腹板局部屈曲公式推導(dǎo)后的屈服寬厚比以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，與“鋼標”實際取的限值對比如圖。很明顯，屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，與“鋼標”實際最終確定的限值并不完全一樣。按照條文說明的解釋，考慮到不同寬厚比等級的用途不同，并沒有嚴格地按照屈服高厚比的倍數(shù)：限值大的放寬了，限值小的取得嚴格了?？匆幌孪卤怼颁摌恕弊罱K確定的截面等級及寬厚比限值，部分限值的確定，實際上參考了歐洲標準EC3(見下表)，“鋼規(guī)”塑性設(shè)計的腹板高厚比限值(下文還會說)等。同時需要注意，壓彎構(gòu)件腹板的寬厚比限值參考了EC3，與截面應(yīng)力分布有關(guān)。另外，注5給開了一個口子：S5級截面如果應(yīng)力較小時，有可作為S4級截面使用的可能。三、以往規(guī)范中有截面等級嗎?雖然“鋼標”第一次明確提出截面等級的概念并且在第3章就統(tǒng)一給出限值，實際上以往的規(guī)范中，還是有一些截面等級的影子。1 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017-2003)(“鋼規(guī)”)“鋼規(guī)”關(guān)于截面等級(板件寬厚比)的規(guī)定分散在受彎、壓彎構(gòu)件的計算及塑性設(shè)計各章節(jié)中。比如，對于受彎構(gòu)件的強度計算，規(guī)定如下：不考慮截面塑性發(fā)展系數(shù)，翼緣寬厚比限值15(Q235)，考慮塑性發(fā)展系數(shù)13(Q235)，實際上就是定義了上述的兩種截面等級：S4和S3。梁的腹板局部穩(wěn)定計算，實際上又給出了彈性截面的寬厚比限值。比如，梁的受彎通用高厚比定義為這個150(Q235)和130(Q235)實際上就是彈性截面的腹板寬厚比限值。塑性設(shè)計時，要求如下：這是作為寬厚比限值的構(gòu)造要求給出的，看著眼熟不?和“鋼標”塑性截面的某些寬厚比限值很接近不是?2 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)(“抗規(guī)”)“抗規(guī)”第8章，作為抗震構(gòu)造措施，對框架梁、柱的板件寬厚比有如下要求：雖然沒有明確說截面等級，但實際上就是截面延性的要求或者等級，本質(zhì)上和“鋼標”截面等級是一回事，表達塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動耗能能力。但是上述的要求是根據(jù)抗震等級來提的，強制性要求鋼結(jié)構(gòu)框架都得延性耗能，同時要求延性構(gòu)造，控制板件寬厚比——烈度大地震作用大就嚴一點，和“鋼標”的抗震設(shè)計概念不同?！翱挂?guī)”第9章，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房和多層鋼結(jié)構(gòu)廠房中的單層及不超過40m的，有如下的規(guī)定：并在條文說明中給出了三類截面等級A、B、C：腹板寬厚比限值的72(Q235)和130(Q235)，實際上沿用了塑性設(shè)計和梁腹板彈性屈曲的數(shù)值?！翱挂?guī)”第9.2節(jié)這些規(guī)定，實際上是“鋼標”第3章截面等級以及第17章“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計”的前身和影子。四、設(shè)計中如何應(yīng)用截面等級?截面等級實際上和構(gòu)件承載力以及抗震設(shè)計密切相關(guān)。稍微翻一下“鋼標”就能看到，截面等級在構(gòu)件強度計算的各章以及第17章“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計”中都出現(xiàn)了，甚至可以說它串起了各章節(jié)。這也是為什么第一個專題要說它的原因。設(shè)計中怎么用，很難一兩句話說清楚，在后續(xù)的專題中，尤其是抗震設(shè)計中，會詳細說明截面等級怎么用。新術(shù)語解釋《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(“鋼標”)翻到第2頁就能看到術(shù)語一節(jié)。在原“鋼規(guī)”的基礎(chǔ)上，“鋼標”增加了不少的新術(shù)語。顯然新術(shù)語和“鋼標”的條文內(nèi)容直接相關(guān)，本專題對其中關(guān)鍵的一些術(shù)語進行解釋和說明。一、正則化長細比或正則化寬厚比 normalized slenderness ratio實際上這只是名稱的修改和延伸。原“鋼規(guī)”中有“通用高厚比 normalized web slenderness”，從英文翻譯可以看到，實際上它代表的是腹板高厚比，主要是梁腹板局部穩(wěn)定計算時用的。新術(shù)語名稱改為了穩(wěn)定理論中常用的術(shù)語“正則化”，同時由于板件穩(wěn)定不光是腹板，于是棄用“高厚比”，改用更通用的“寬厚比”一詞。“鋼標”對其定義沒變，正則化長細比或正則化寬厚比 normalized slenderness ratio——參數(shù)，其值等于鋼材受彎、受剪或受壓屈服強度除以相應(yīng)的腹板抗彎、抗剪或局部承壓彈性屈曲應(yīng)力之商的平方根。這是穩(wěn)定理論中對于正則化類參數(shù)的標準解釋，簡單講就是鋼材強度與穩(wěn)定應(yīng)力的比值，這樣把穩(wěn)定問題中不同強度的影響剝離，只剩下穩(wěn)定因素自身。正則化長細比/寬厚比的值越大，越容易失穩(wěn)，而理想狀態(tài)下的臨界值是1.0：如果大于1.0，表示構(gòu)件或板件的彈性屈曲在達到屈服強度值之前;小于1.0，則可達到材料屈服強度，而不發(fā)生彈性屈曲，只能在彈塑性階段發(fā)生非彈性屈曲。如果用上一個專題講的截面板件寬厚比等級來說，那么，S4級截面的限值狀態(tài)，對應(yīng)的就是抗彎的正則化寬厚比為1.0。二、直接分析設(shè)計法 direct analysis method of design即，直接考慮對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強度性能有顯著影響的初始幾何缺陷、殘余應(yīng)力、材料非線性、節(jié)點連接剛度等因素，以整個結(jié)構(gòu)體系為對象進行二階非線性分析的設(shè)計方法。這是本次“鋼標”新引進的與國外規(guī)范接軌的計算方法。從穩(wěn)定理論來說，道理很簡單，把影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素在計算模型中考慮，直接進行結(jié)構(gòu)的受力分析，應(yīng)該就能把握結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定。經(jīng)典的鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教科書中都有這個方法。大家知道，老“鋼規(guī)”的柱子曲線也是考慮了這些缺陷以后得到的穩(wěn)定系數(shù)，然后把結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定化解為構(gòu)件層面的穩(wěn)定考慮，俗稱計算長度法。當(dāng)然，原來的計算長度法只是對某些結(jié)構(gòu)適用，或者說它有幾個適用的前提條件，這也就是為啥還要直接分析設(shè)計法的原因。關(guān)于“鋼標”直接分析設(shè)計法，目前從規(guī)范條文層面存在一點爭議，就是關(guān)于長細比的限值問題?！颁撘?guī)”、“抗規(guī)”等由于種種原因，規(guī)定了一些構(gòu)件的長細比值。而計算長細比又是基于傳統(tǒng)的計算長度法根據(jù)計算長度系數(shù)得到的。目前“鋼標”雖然給了直接計算分析法，但計算長度限值的規(guī)定依舊存在，此時的計算長度限值如何考慮，成了問題。個人意見是，實際上長細比本身就是構(gòu)造要求，是穩(wěn)定計算不成熟條件下的一個補充而已。如果按直接分析設(shè)計法，那就干脆放開那些長細比構(gòu)造要求，最多，僅僅對幾何長細比(按構(gòu)件自然長度的長細比)作一些限值規(guī)定，而且可以放得很寬。另外，設(shè)計單位目前在操作層面還存在一點問題，也就是，如何在計算程序中實現(xiàn)直接分析(貌似現(xiàn)在好多結(jié)構(gòu)工程師=計算軟件操作員 CAD描圖員，不能一鍵搞定的免談)。但這個似乎只是暫時的問題，不算大問題，我想，萬能的PK等等，會很快解決這個問題的吧。是不是真的算得準，嘿嘿，你問我?我哪知道?!三、關(guān)于支撐框架無支撐框架、支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐結(jié)構(gòu)，強支撐框架，支撐系統(tǒng)，這是相關(guān)的幾個術(shù)語，有必要放在一起扯扯。前面已出的規(guī)范，包括“抗規(guī)”等等，更嚴重的是在工程技術(shù)人員的理解中，已經(jīng)把所謂的“框架”概念給模糊化了——“框架”，可以是純框架、支撐框架，更可以是框架-支撐。這種模糊化導(dǎo)致了抗規(guī)等規(guī)范條文在應(yīng)用上的模糊。比如，純框架的抗震構(gòu)造要求，和支撐結(jié)構(gòu)、框架-支撐是有很大區(qū)別的，因為耗能模式完全不同。這個具體在第五個術(shù)語“塑性耗能區(qū)”中具體說。先說一下各自的定義：無支撐框架 unbraced frame——利用節(jié)點和構(gòu)件的抗彎能力抵抗荷載的結(jié)構(gòu)。其實就是純框架，受力特征是靠構(gòu)件節(jié)點的抗彎剛度來形成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，典型如門式剛架。支撐結(jié)構(gòu) bracing structure——在梁柱構(gòu)件所在的平面內(nèi)，沿斜向設(shè)置支撐構(gòu)件，以支撐軸向剛度抵抗側(cè)向荷載的結(jié)構(gòu)。實際這就是純支撐結(jié)構(gòu)，支撐拿掉了，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系就沒了，類似于腳手架，沒東西扶著它，就倒了。框架-支撐結(jié)構(gòu) frame- bracing structure——由框架及支撐共同組成抗側(cè)力體系的結(jié)構(gòu)。在我們的抗震規(guī)范中，因為要求雙重抗側(cè)力體系，如果支撐壞了，框架部分還能承擔(dān)一些側(cè)向力。因此，上述的純支撐結(jié)構(gòu)由于缺少框架部分的抗側(cè)剛度，是被排斥使用的(實際工程中往往給禁止使用)。但工程實踐中又存在不少這樣的結(jié)構(gòu)形式，尤其是構(gòu)筑物，比如支架。當(dāng)然，國外規(guī)范中存在這類結(jié)構(gòu)，比如美國的建筑鋼結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范AISC 341，嚴格區(qū)分單一抗側(cè)力體系和雙重抗側(cè)力體系。而上述的支撐結(jié)構(gòu)就是其中的單一抗側(cè)力體系。我們“抗規(guī)”中的框架-支撐，是雙重抗側(cè)力體系，等于無支撐框架和支撐結(jié)構(gòu)的組合。強支撐框架 frame braced with strong bracing system——在框架-支撐中，支撐結(jié)構(gòu)(支撐桁架、剪力墻、筒體等)的抗側(cè)移剛度較大，可將該框架視為無側(cè)移的框架。強支撐框架，大家都知道，就是強的支撐框架唄。這不廢話嗎?強支撐框架，是跟弱支撐框架相對應(yīng)的。從本質(zhì)上說，強與弱，對應(yīng)的是不同的失穩(wěn)模式，而不是真的側(cè)移大小，也就是穩(wěn)定理論中講的無側(cè)移和有側(cè)移框架。順便說一句，98版“高鋼規(guī)”曾經(jīng)規(guī)定層間位移角小于1/1000就可按無側(cè)移計算，從穩(wěn)定理論來說，似乎是不大合適的。“鋼標”本來是有弱支撐的，征求意見稿大家都能看到。考慮到不推薦采用弱支撐框架，最終取消了弱支撐框架柱穩(wěn)定系數(shù)計算公式。另外還有個事實，一旦設(shè)置了支撐，常見的一般框架-支撐結(jié)構(gòu)，都是強支撐。支撐系統(tǒng) bracing system——由支撐及傳遞其內(nèi)力的梁(包括基礎(chǔ)梁)、柱組成的抗側(cè)力系統(tǒng)。這是一個新的概念，強調(diào)支撐不是倆斜桿就能成結(jié)構(gòu)體系，而是必須由一個完整的體系才能形成支撐系統(tǒng)，才能起抗側(cè)作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須關(guān)注整個系統(tǒng)。缺了任何一環(huán)，支撐體系就不成立。四、畸變屈曲畸變屈曲 distorsional buckling——截面形狀發(fā)生變化、且板件與板件的交線至少有一條會產(chǎn)生位移的屈曲形式?？匆幌聢D就明白了。對于框架結(jié)構(gòu)的梁，上翼緣鋪板，正彎矩區(qū)沒有穩(wěn)定問題，但負彎矩區(qū)的下翼緣有穩(wěn)定問題，就是上圖的畸變屈曲。以往我們的規(guī)范中都沒考慮，而國外規(guī)范已有這個規(guī)定?；兦嚓P(guān)的研究內(nèi)容可以參考童根樹教授的專著《鋼結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定》?！颁摌恕?.2.7條就是針對框架主梁負彎矩區(qū)畸變屈曲新增加的規(guī)定。將下翼緣作為壓桿，腹板作為對下翼緣提供側(cè)向彈性支撐的部件，上翼緣看成固定，給出了一個簡單的畸變屈曲的臨界應(yīng)力公式，同時給出了需要考慮畸變屈曲的情況以及不滿足時的做法?！颁摌恕笨拐鹪O(shè)計第17章的相應(yīng)章節(jié)，也有關(guān)于框架梁梁端負彎矩區(qū)畸變屈曲的相關(guān)要求。五、塑性耗能區(qū)、彈性區(qū)先看看定義：塑性耗能區(qū) plastic energy dissipative zone——在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件首先進入塑性變形并消耗能量的區(qū)域。彈性區(qū) elastic region——在強烈地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件仍處于彈性工作狀態(tài)的區(qū)域。用大白話說，塑性耗能區(qū)就是大的地震下面進入塑性并且耗散地震輸入能量的構(gòu)件部分。那么，彈性區(qū)就是，咋震，都不進入塑性的構(gòu)件部分。因此，按這么說，其實抗震結(jié)構(gòu)分兩部分：塑性耗能區(qū)vs非塑性耗能區(qū)，非塑性耗能區(qū)也可以設(shè)計成彈性區(qū)，當(dāng)然也可以存在一些可能的或者說潛在的塑性區(qū)。不同區(qū)域，抗震的做法和要求也不同?？拐鹪O(shè)計思路是進行塑性機構(gòu)控制，可以說，整個“鋼標”第17章的抗震，基本都是圍繞塑性耗能區(qū)寫的，從性能等級目標、延性等級、抗震計算到抗震構(gòu)造。非塑性耗能區(qū)的構(gòu)件和節(jié)點設(shè)計，是根據(jù)既定的結(jié)構(gòu)體系和塑性耗能區(qū)性能，再確定相應(yīng)如何進行設(shè)計。因此，有必要來具體說說整個鋼結(jié)構(gòu)體系中，哪兒是塑性耗能區(qū)。當(dāng)然也需要注意，塑性耗能區(qū)是和抗震設(shè)計的意圖是相關(guān)的，說白了，就是還得結(jié)合你設(shè)計時候，想讓哪兒塑性耗能。對于純框架結(jié)構(gòu)，大家最熟悉，都知道就是啥地方能形成塑性鉸，那就是塑性耗能區(qū)，一般就是梁柱節(jié)點附近以及柱腳。但是對于抗震設(shè)計來說，希望保證“強柱弱梁”和防止形成倒塌機構(gòu)，那么一般是把除單層和頂層框架外的框架梁端設(shè)計為塑性耗能區(qū)。支撐結(jié)構(gòu)，上面說了，就是支撐在抵抗側(cè)向力。那么，塑性耗能區(qū)其實就是那個支撐了。從抗e79fa5e98193e59b9ee7ad9431333433633363震性能而言，希望是把成對設(shè)置的支撐設(shè)計為塑性耗能區(qū)?？蚣?中心支撐結(jié)構(gòu)，按上述的雙重抗側(cè)力體系設(shè)計目標，塑性耗能區(qū)那就是成對設(shè)置的支撐和框架的梁端?？蚣?偏心支撐結(jié)構(gòu)，對于支撐框架的部分，肯定是剪切屈服的耗能梁段。而框架的梁端塑性鉸區(qū)，肯定也是塑性耗能區(qū)。其余比如設(shè)置了阻尼器的框架，那毫無疑問，首先屈服的阻尼器就是塑性耗能區(qū)。六、焊接截面 welded section知道這個術(shù)語在老“鋼規(guī)”叫啥嗎?——叫“組合構(gòu)件 built-up member”。啥?一定會有好多人覺得很奇怪：“組合構(gòu)件”，不是那個啥鋼和混凝土組合的東東?不信?翻開老“鋼規(guī)”，組合構(gòu)件 built-up member——由一塊以上的鋼板(或型鋼)相互連接組成的構(gòu)件，如工字形截面或箱形截面組合梁或柱。本來沒想把這個列出來，但是想想工作中真就有好多人問我“鋼規(guī)”的組合構(gòu)件到底咋回事，就說說吧。這應(yīng)該是歷史上延續(xù)過來的，最早鋼結(jié)構(gòu)分型鋼和鋼板、型鋼組合焊接的構(gòu)件，而當(dāng)初鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)也少，于是命名叫“組合構(gòu)件”，一直在“鋼規(guī)”中延續(xù)?！颁摌恕毙蘧幙赡馨l(fā)現(xiàn)容易歧義，改了。與現(xiàn)行規(guī)范的邏輯關(guān)系及應(yīng)用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017-2017)(簡稱“鋼標”)頒布以后，與現(xiàn)行的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB 51022-2015)(簡稱“門規(guī)”)、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2010)(簡稱“抗規(guī)”)等規(guī)范內(nèi)容存在交叉和重疊。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，如何選用適用的規(guī)范和相關(guān)條文，成為結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常犯難的問題。因此，在具體談《鋼標》條文之前，有必要先說說各規(guī)范的定位和他們之間的邏輯關(guān)系，以及各規(guī)范的適用情況。一、《門規(guī)》是個啥?有《鋼標》還要他做甚?眾所周知，《門規(guī)》是針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)制定的一本專門的規(guī)范，其前身是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102，并在條文說明中明確表示“參照和吸取了多項國外先進標準和手冊中有關(guān)輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作和安裝的規(guī)定。主要參考的國外手冊是美國金屬房屋制造協(xié)會MBMA《低層房屋體系手冊》等……”(下圖是MBMA手冊的2006版，有興趣可以找來翻翻)。
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。