钢结构设计规范十篇

钢结构设计规范篇1

与中国的GB 50017―2003《钢结构设计规范》相比，BS EN199311： 2005等欧洲钢结构设计规范对构件的验算过程要复杂得多.针对国内设计单位近年来所承担的涉外项目激增的现状，研发基于欧洲钢结构规范的设计软件EuroSD.该软件应用Object ARX技术对AutoCAD进行二次开发，相对于目前国内常用的国外设计软件，其前处理建模更灵活.EuroSD提供多种内力分析方式，实现欧洲钢结构规范中的第1～4等级截面的验算，并能按照有效截面进行抗剪强度验算，最后提供详细的构件验算计算书.

关键词：

钢结构设计； 欧洲规范； 系统设计； 截面等级； 有效截面； Object ARX

中图分类号： TU391

文献标志码： B

0 引 言

20世纪70年代，欧盟国家为消除贸易过程中的技术壁垒并且协调各成员国的技术规范，欧洲共同体委员会开始编制一套建筑设计技术规范，即欧洲规范Euro Code，并于20世纪90年代颁布欧洲标准试行规范.21世纪初，欧洲共同体委员会正式推出欧盟部级标准――欧洲规范EN.执行欧洲标准的国家包括英国、德国、法国、意大利、西班牙、瑞士、奥地利、比利时、丹麦、芬兰、希腊、冰岛、爱尔兰、卢森堡、荷兰、挪威、葡萄牙和瑞典等欧洲各国.[12]

我国与世界各国的商业交往日益密切，涉外工程建设合作项目呈增长趋势，国内很多工程建设企业开始在世界舞台上展现我国的设计能力和施工技术.当我国设计人员承担欧洲地区的建设工程项目时，不得不应用国外软件，以符合欧洲规范的设计规定.国内设计人员常用的国外设计软件包括美国CSI公司的SAP 2000和Etabs，美国REI公司的STAAD.Pro，韩国的Midas等.[3]这几种软件均不是欧洲规范应用国开发的，所以各软件对于欧洲标准的理解呈现仁者见仁的现象.另外，这些软件的研发核心团队均在国外，一旦软件在使用过程中出现漏洞，问题的反馈渠道少、软件更新速度慢.因此，开发基于国外规范的钢结构设计软件是非常必要和急需的.[4]

1 软件系统介绍

随着钢Y构产业规模的扩大和建筑造型复杂性的提高，设计软件已经成为结构工程师进行设计必不可少的工具.国内许多工程师选择采用3D3S软件，该软件直接对CAD进行二次开发，适用于空间钢结构[57]，但是该软件至V12.1版本为止仍没有实现基于欧洲钢结构规范的设计.针对目前市场上基于欧洲规范的设计软件稀缺的现状，研发基于欧洲规范的钢结构设计软件EuroSD.

EuroSD对AutoCAD平台进行二次开发，是一款三维结构设计软件，其主要功能包括：各种特种钢结构体系三维建模、内力分析、设计验算以及验算结果显示与查询.根据软件功能需求，将软件分为4个系统：前处理系统、内力分析系统、设计验算系统和后处理系统，4个系统的数据流向见图1.

EuroSD的前处理系统和后处理系统应用Object ARX技术，生成若干ARX工程项目.前处理系统提供用户包括网架、桁架、框架在内的多种常用结构快键建模功能.EuroSD模型直接在AutoCAD三维平台上生成，用户也可根据结构的需要，在AutoCAD界面任意添加、修改或删除局部模型.后处理系统主要用于展示结构的内力分析和设计验算结果，结构展示方式包括结构表格、查询对话框以及AutoCAD图形展示等.

内力分析系统和设计验算系统采用VC++语言进行编程，生成若干动态数据库项目dll.内力分析系统包括结构静力分析算法、动力分析算法、非线性算法等.设计验算系统将所有支持的规范标准按标准之间的相关性抽象为具有多层继承派生关系的规范类群.内力分析系统和设计验算系统中的算法均经过封装，2个系统提供数据交互dll，外部可以通过接口获取分析及设计的结果，但不能干涉其内部算法.

内力分析系统和设计验算系统的框架设计方式可提高系统的数据安全性，并增加产品开发的灵活性，其只需对接口dll中的数据交互接口进行重载，即可将这2个核心系统应用到其他平台上.

2 设计验算系统的设计

2.1 项目设计

EuroSD软件的研发重点在于设计验算系统的设计和编写.设计验算系统包括3个主要项目：（1）将用户数据输入项目ARX中，有若干与钢结构规范相关的设计参数设置对话框会引导用户输入规范相关的数据；（2）验算核心项目dll，主要完成结构设计验算；（3）数据交互项目dll，对验算结果进行存储，并提供后处理获取数据的接口.

2.2 验算核心项目介绍

验算核心项目中包含3个主要类和4个类体系，其关系见图2.

为增加系统的后期可扩展性，对构件类体系、规范类体系、截面类体系和材料类体系根据规范分类设计相同的继承关系，见图3.

通过继承关系，构件验算核心编码可灵活添加不同国家、不同结构类型、不同材料类型的规范代码.通过分析规范条文之间的异同，对基类进行抽象；通过重载子类验算函数，实现各规范的设计验算功能.每个类体系的作用如下.

（1）模型类：组合节点类CNode，构件类CUnit，材料类CMat和规范类CCode的链表，存储整个结构的信息.

（2）载荷类：存储载荷信息、载荷组合信息和载荷效应信息（反力、内力、位移、挠度等）.

（3）材料类：记录钢材牌号、设计强度和弹性模量等材料信息.

（4）节点类：记录节点坐标、支座情况等信息.

（5）构件类体系：存储2部分信息.一部分是构件的输入信息，包括几何信息和设计信息，比如节点编号、端部约束释放、构件材料对象指针、构件设计采用的规范列表的序号以及相应规范的各种设计参数等；另一部分是当前验算组合的验算结果.

（6）截面类体系：存储截面的几何信息以及设计验算需要用到的截面设计参数，比如截面面积、截面惯性矩等.

（7）规范类体系：规范类中的数据均为临时存储.主调程序会将当前组合和需要验算的构件传入规范类中，并对规范类对象进行初始化操作.规范类主要实现根据规范条文对构件进行设计验算的功能，最后将验算结果返回到构件类中.

3 欧洲钢结构规范的实现

与中国GB 50017―2003《钢结构设计规范》相比，欧洲规范在对构件进行设计验算时有诸多不同之处.

GB 50017―2003的验算项目包括：（1）对所有构件按净截面验算强度；（2）对所有构件按毛截面验算抗剪强度；（3）对轴压、压弯、拉弯构件按毛截面验算稳定；（4）对截面中的受压板件控制宽厚比.

欧洲规范的验算项目包括：（1）对轴拉构件验算净截面抗拉强度和毛截面极限抗拉强度；（2）对于轴压、压弯、拉弯构件的强度和稳定验算，根据受压板件的宽厚比，将截面分为4级，并对应不同的验算公式（第1和2级截面采用截面的塑性特性验算强度和稳定，第3级截面采用截面的弹性特性验算强度和稳定，第4级截面采用截面的有效截面特性验算强度和稳定）；（3）对于受剪、压弯、拉弯构件进行抗剪强度验算，根据腹板的宽厚比分别采用毛截面特性验算或有效截面验算.[810]

综上所属，GB 50017―2003的验算公式统一，而欧洲规范的验算公式根据不同的截面等级采用不同的验算公式.

根据欧洲规范的设计要求，EuroSD的构件设计分为5个主要部分：（1）截面等级判断；（2）有效截面特性计算；（3）截面强度验算；（4）截面抗剪强度验算；（5）构件稳定验算.其中，截面等级的判断和有效截面特性的计算是最复杂的部分，而构件强度、稳定的验算只需按照BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007的相关公式逐一实现即可，在此不作赘述.欧洲规范的构件验算涉及到3本规范，具体见表1.

3.1 截面等级判断

截面等级判断是欧洲规范的核心，其作用主要有3个：（1）BS EN 19931：2005的第5.6节指出只有结中拥有第1级截面的构件可以在进行塑性整体分析时考虑塑性铰的出现；（2）截面等级判断完成才能选用适当的公式对构件进行验算；（3）因为第4级截面直接采用有效截面进行构件验算，故BS EN 1993不再控制截面中板件的宽厚比.

为确定截面等级，程序首先将计算截面的塑性应力分布和弹性应力分布情况[8]；接着将截面拆分为若干板件，并根据BS EN 199311：2005表5.2依次判断板件的等级；最后根据BS EN 199311：2005第5.5.2条确定截面分类，判断原则为截面等级取所有受压板件的最高等级.BS EN 199311：2005第5.5.2条第（9）～（11）款还给出判定等级的例外情况，这些例外情况在软件中全部实现.

3.2 有效截面特性计算

有效截面特性计算的内容包括：（1）截面的有效面积；（2）截面的有效惯性矩；（3）截面新的形心以及相对原形心的偏心；（4）由轴力引起的板件局部失效所产生的附加弯矩.每个截面特性对应的内力不同，见表2.需要说明的是：在计算有效截面时只需要计算第4等级截面中的第4等级板件的有效宽度.

4 软件应用

EuroSD的快捷建模方式非常多，全部实现可视化和参数化建模方式，以网架为例，建模对话框见图4.

建模完成后，对结构进行截面、钢材等级、荷载、支座等设计信息进行设置，即可进行结构内力分析.内力分析结果的查看方式也包括对话框方式和图形展示方式，见图5.

根据欧洲规范的设计需要，EuroSD提供大量可修改的规范参数，见图6.

验算完成后，EuroSD提供结果查询对话框和构件验算计算书2种构件验算查询方式，分别见图7和8.

通过结果查询对话框，用户可以对构件各项验算项的结果一目了然，并可查得哪些组合起到设计控制作用.若计算过程中对内力进行设计调整，此处显示的设计内力为经过调整后的值.完整的构

件验算计算书中详细列出结构的计算条件，主要验算项给出具体的计算公式和主要的计算参数，让用户清晰了解软件的计算过程.

5 结 论

介绍基于欧洲规范研发的钢结构设计软件EuroSD，其在建模方面采用Object ARX技术在AutoCAD界面进行二次开发，实现结构直接在三维状态下的可视化建模，可适用于复杂结构的设计.软件提供丰富的快捷建模方式，实现常用结构形式的参数化建模.

与国内市场常用的其他结构设计软件相比，EuroSD严格按照欧洲钢结构规范BS EN 199311：2005，BS EN 199315：2006和BS EN 199316：2007

进行构件验算，并且提供详细的设计计算书，可提高设计效率.

EuroSD的验算核心工程采用dll项目，其接口

的设计与软件平台的耦合度低，可方便迁移到其他平台.EuroSD设计的类体系根据规范分类设计类的继承关系，不仅适用于欧洲规范，也可以拓展补充其他国家的钢结构设计规范，甚至是混凝土结构设计规范.所以，EuroSD的验算核心代码拥有高度的可扩展性和应用灵活性.

参考文献：

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钢结构设计规范篇2

关键词：钢结构；厂房设计；柱距选择

中图分类号：TU746.3

1.引言

门式刚架结构因其自重轻、施工速度快、工业化程度高、抗震性能好、构件工厂制作、安装方便、综合经济和社会效益好、环保等优点在工业建筑工程中被广泛应用，并因此成为钢结构房屋体系中发展最快的一种。2002年国家颁布了CECS102：2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[1] （以下简称《门刚规程》），2012年中国工程建设标准化协会对此规程进行了修订，为门式刚架结构的应用和发展创造了更有利的条件。

2.项目概况

西安某有限责任公司厂房为大跨度单层五跨厂房，厂房上部结构采用钢结构，基础采用钢筋混凝土独立基础。跨度为21+24+21+24+24m，柱距为7.5m，全长180m，车间内每跨设有两台吊车，除第二跨吊车为32/5t桥式吊车外，其余均为20/5t桥式吊车，吊车的工作级别均为A5， 吊车梁采用工字形焊接钢吊车梁，吊车轨顶标高为9.8m柱顶标高为11.3m，每跨均带门式电窗天窗，屋面及外墙围护均采用彩色钢板夹玻璃丝绵保温板。抗震设防烈度为8度，场地类别为II类。

3.设计方案

3.1结构形式分析

对于设计人员，如何确定工业厂房结构形式是非常重要的。工业厂房一般有以下几种结构形式：砌体结构、钢筋混凝土排架结构、钢结构。砌体结构适用于跨度比较小、无起重或小起重设备的厂房；钢筋混凝土排架结构是工业厂房最常用的结构形式之一，但由于其刚度大、自重大，地震力也大，占用场地大、施工工期较长；而钢结构厂房（特别是门式刚架厂房）相比有以下优点：

（1）自重轻、柔性好、抗震性能好。

（2）安装方便、施工工期短。

（3）轻钢结构是一种绿色环保结构，具有较高的利用价值。由于本工程厂房跨度较大，起重吊车吨位较高，施工场地小，工期要求短，所以选择了门式刚架结构。但由于《门钢规程》1.02条规定：本规程适用于桥式吊车不大于20t的厂房，故本工程第二跨不能按《门钢规程》设计，应按GB50017-2003《钢结构设计规范》[2]进行设计。

3.2计算软件

常见的门刚计算软件有同济的3D3S和建研院的PKPM系列中的STS，本工程采用STS软件进行设计分析。

3.3柱距、跨度设计

本工程跨度根据工艺要求有两种21m和24m，柱距一般6-9m，参照标准图集04SG518-3选用刚架、屋面檩条、墙面檩条，按每平米折算（墙檩按立面面积折算），吊车梁按标准图集08SG520-3选取，按每平米折算按屋面实际做法计算，屋面选用双面彩钢板夹50厚玻璃绵，加上檩条折算荷载，加上悬挂灯及管道荷载，一般可取0.3KN/ m2。

3.5.2屋面活荷载

计算钢梁时《门刚规程》规定屋面活荷载为0.5kN/m2，但构件的荷载面积大于60m2时，取值为0.3kN/m2；因此一般檩条取0.5kN/m2；刚架取0.3kN/m2。

3.5.3雪荷载

雪荷载按照《建筑结构荷载规范》中的要求进行计算，屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合。

3.5.4 吊车荷载

吊车荷载是工业厂房的最主要荷载，分为吊车竖向荷载和吊车水平荷载。按照《建筑结构荷载规范》[3]中的要求，吊车竖向荷载标准值，应采用吊车最大轮压或最小轮压；吊车横向水平荷载取值时一定要分清软钩吊车和硬钩吊车，取值是不一样的。在此特别注意的是GB50017-2003钢结构设计规范在计算重级工作制（A6～A8）吊车梁及其制动结构的强度、稳定性以及连接的强度时，应考虑由吊车摆动引起的横向水平力HK（此水平力不与建筑结构荷载规范规定的吊车横向水平荷载同时考虑），HK=apk.max，通常情况下此横向水平力要比建筑结构荷载规范规定的吊车横向水平荷载大。

3.5.5风荷载

3.6设计参数

3.6.1 门式刚架柱、梁平面外计算长度的选取

采用平面分析程序，由于没有平面外信息，程序自身无法正确判断平面外计算长度的选取，程序默认取的平面外计算长度为杆件自身的长度，工程设计人员应对平面外计算长度进行确认和修改。

平面外的计算长度应取平面外有效支撑之间的间距。门式刚架类型，对于边柱和屋面梁，当采用压型钢板屋面、墙面，且压型钢板与檩条有可靠连接时，墙梁和檩条设置隅撑的情况下，隅撑能起到边柱和屋面梁的平面外支撑作用，则边柱和屋面梁的平面外计算长度可以取设置隅撑的间距。对于有吊车或跨度较大的厂房，柱平面外计算长度建议按柱间支撑选取。

3.6.2吊车超过20t的门式刚架形式单层厂房设计

对于吊车吨位超出20吨，但又不是特别大吨位（≤50吨）的单层厂房，采用了一种与门式刚架形式相似的结构形式：如本实例，焊接工形实腹梁柱截面形式的门形刚架、轻型的屋面墙面体系。从这类结构的特殊性和设计的安全性考虑，对这类结构的计算，提供以下建议：

（1）对于吊车吨位超出20吨的单层钢结构厂房，已经超出门规的适用范围，应该按照钢结构设计规范来进行设计与控制，如：长细比、局部稳定、挠度、柱顶位移等项控制指标，其中长细比、挠度、柱顶位移项控制指标在参数输入中的设计控制参数中可以按照钢结构设计规范进行人为指定，局部稳定控制程序会根据指定的构件验算规范按对应规范自动进行控制；

（2）结构类型应该选择“单层钢结构厂房”，如果为抗震地区且选择了地震作用于计算，程序会自动按照抗震规范第九章关于单层钢结构厂房的规定进行控制；

（3）柱构件应条用刚接柱脚，不宜采用摇摆柱，构件的验算规范应指定为钢结构设计规范。梁构件考虑到一般采用坡面梁，会存在一定的轴力影响，尤其是采用变截面梁的情况下，如果采用钢结构规范计算：第一，没有考虑轴力影响（纯弯构件计算）；第二，钢结构规范没有规定相应变截面梁的稳定计算，采用钢结构规范计算，程序对变截面梁的稳定没有计算。建议这类梁构件承载力的校核采用按门式刚架规矩进行校核，以考虑轴力的影响与变截面梁的稳定计算。梁构件尽量采用等截面构件。

（4）对于柱的计算长度系数，默认程序自动计算为按照总的参数输入的验算规范进行确定（与单个构件的验算规范无关），如果在参数输入中选择的是钢结构规范，对于有吊车作用的柱，程序按钢结构规范5.3.4单层厂房阶形柱方式进行确定，无吊车作用的柱按钢结构设计规范5.3.3条线刚度比方法确定；如果在参数输入中选择的是门式钢架规程，则对所有的柱计算长度系数按门式钢架规程3.1（3）条的一阶分析法确定。

对于吊车作用柱，如果上下柱段采用相同截面（非阶梯形），梁柱连接采用刚接，如果采用钢结构规范计算，程序对应采用钢结构规范附表D-4、D-6刚接排架柱确定计算长度，实际计算发现，对于这种形式的刚架按对应附表中的公式计算，下柱的计算长度系数经常出现非常小的情况（有时

对于上下柱采用变截面的阶形柱，计算长度系数的确定，建议还是按钢结构设计规范阶形柱的方法确定。梁柱采用刚接连接的刚接排架柱，如果考虑到与排架连接的实腹梁刚度达不到刚性约束，可以考虑先把排架柱顶设为铰接计算，程序这时按钢结构规范附表D-3、D-5铰接排架柱确定计算长度系数（柱顶可移动、也可转动），记录该计算长度系数结果，然后再把模型中的柱顶连接改回刚接连接，人为按铰接排架柱确定的结果进行修改排架柱的平面内计算长度系数，这也是一种偏于安全的处理方式，或者也可以直接在“参数输入”中勾选“当实腹梁与作用有吊车荷载的柱刚接时，该柱按照上端为自由的阶形柱确定计算长度系数” [7] 。

3.7刚架梁柱设计

门式刚架是梁、柱单元构件的组合体，是主要的承重构件。刚架梁柱的截面尺寸应根据其跨度、柱距、屋面荷载及吊车吨位确定。一般门式刚架由变截面的实腹焊接工字型或轧制H型截面柱和梁组成。刚架斜梁一般情况下，当跨度小于24m时采用等截面，当跨度不小于24m时采用变截面。在门式刚架厂房结构体系中，常采用单跨、双跨、多跨、双坡或单坡的单层门式刚架。 一般可以先按标准图集或类似项目选用截面，符合软件优化条件的可以让软件优化；不符合软件优化条件的要多次试算，得出既安全又经济的截面。

屋盖宜采用压型钢板屋面板和冷弯薄壁型钢檩条；外墙宜采用压型钢板墙面板和冷弯薄壁型钢墙梁。通常厂房外墙在离地面1.0m高范围内采用砖砌体，以防腐蚀、碰撞发生损坏。

檩条可以直接按标准图集选用。

抗风柱可按标准图集选用并进行风荷载验算得出。

3.8钢材设计

作为设计人员，应充分了解各种型号钢材市场价格后，对钢材的选用进行优化设计，并根据截面强度和结构变形等不同强度选用相应的钢材。一般厂房的门式刚架等构件宜采用Q345-B的钢。檩条、支撑、拉杆等宜采用Q235-B钢。

4.支撑布置

4.1屋面支撑、刚性系杆布置

对于符合《门刚规程》适用范围的门式刚架，可按《门刚规程》的要求布置屋面支撑及刚性系杆；对于不符合《门刚规程》适用范围的门式刚架，应按钢结构规范及抗震规范的要求布置屋面支撑及刚性系杆。

4.2柱间支撑布置

对于符合《门刚规程》适用范围的门式刚架，可按《门刚规程》的要求布置柱间支撑并验算；对于不符合《门刚规程》适用范围的门式刚架，应按钢结构规范及抗震规范的要求布置柱间支撑并验算。

5.连接节点设计分析

连接节点的设计是钢结构设计中重要内容之一。钢结构的连接方法可分为焊接、铆接、普通螺栓连接、高强螺栓连接。

5.1梁柱或横梁节点设计

工业厂房一般情况下梁柱或横梁节点的连接采用高强螺栓连接或高强螺栓焊连接。

端板连接是门式刚架目前实际工程中应用最多的梁柱或横梁间节点连接类型，主要有外伸式、平板式、外伸式加肋等几种形式。加劲肋能大大提高节点抗弯能力，有效减少螺栓数量和端板厚度，故一般优先选用外伸式加肋的节点形式。

对于有吊车及大跨度，大荷载厂房的梁柱节点，应采用全焊与螺栓焊连接节点，此焊连接节点具有节点转动刚度大，工程费用低，但高空焊接工作量大。

该节点应按《门刚规程》的2012修订版7.2.21条验算，确保梁柱节点为刚性节点；对于该规程未提及的构造及验算方法，可详见陈绍番《轻型门式刚架梁柱连接如何设计成刚性节点》[9]。

5.2柱脚连接设计

厂房的钢柱与混凝土基础通过锚栓连接形成了柱脚。柱脚根据能否抵抗弯矩分为刚接柱脚或铰接柱脚。确定柱脚的刚接和铰接，关键在于锚栓布置。柱脚的区别在于对侧移的控制，如果结构对侧移控制较严，则采用刚接柱脚，其余情况下，柱脚可设计成铰接。另外，如果底板和基础顶面的摩擦不能满足柱底剪力的传递要求，则须设置抗剪键，通常对有吊车的厂房需设置抗剪键。对于吊车其中量大于5t的桥式吊车厂房柱脚应采用插入式柱脚，确保柱与基础的刚性连接。见图2[5]，对于吊车其中量大于15t的桥式吊车厂房的插入式柱脚应加焊栓钉。其他柱脚刚接时宜优先采用插入式柱脚。

6.防腐蚀和防火设计分析

6.1防腐蚀设计

钢结构的优点非常多，但它生锈腐蚀是一个致命的缺陷。钢结构的腐蚀不仅可能造成巨大的经济损失，也给结构的安全带来了隐患。本人曾经遇到过某选煤厂主洗煤车间，由于经常用水，车间内环境非常潮湿，导致钢结构厂房下部工字形钢柱结构腐蚀非常严重，有的柱腹板、翼缘板局部已腐蚀透，给主洗煤车间造成非常大的安全隐患。所以钢结构的防腐蚀设计和施工非常重要。

钢结构的防腐包括防锈和涂装：

（1）钢结构的防腐关键在于除锈。只有彻底除锈才能消除隐患。除锈宜用喷砂或抛丸除锈，除锈等级不低一般为Sa2.5。

（2）钢结构表面在涂底漆之前，应彻底清除铁锈、焊渣、毛刺、油污、漆层、积水、积雪及泥土等。

（3）在钢结构表面刷防腐涂料，并应给定涂膜厚度。

6.2防火设计

根据GB50016-2006建筑设计防火规范中的要求进行防火设计。钢结构耐火性能差，其耐火极限仅为15min，厂房是否进行防火设计应根据厂房的生产类别和耐火极限来确定，对于耐火等级为二级的厂房，当厂房的生产类别为丁、戊类时可不进行防火设计；对于厂房的生产类别为甲、乙、丙类时应进行防火设计。必须对钢结构构件表面采取防火措施，主要有：涂抹防火涂料；将耐火轻质板作为防火外包层；在构件浇筑混凝土或砌筑耐火砖。一般门式刚架的承重钢结构宜采用防火涂料防火。板、梁一般采用超薄型及薄型防火涂料，柱采用厚型防火涂料。

7.门式刚架厂房设计建议

通过上述实例的分析，得出如下设计建议：

（1）对照《门刚规程》的适用条件，满足该规程条件的按该规程计算；对不满足《门刚规程》的适用条件的部分按钢结构规范及抗震规范计算。

（2）一般情况下，该类型厂房7.5米最经济，其次为6米柱距；如无特殊要求建议采用7.5m柱距。

（3）门式刚架梁柱连接应设计成刚性节点，应按《门刚规程》的2012修订版7.2.21条验算，现有计算软件尚未进行此项验算，设计人员应手算复核。

（4）对于吊车其中量大于5t的桥式吊车厂房柱脚应采用插入式柱脚，确保柱与基础的刚性连接；对于吊车其中量大于15t的桥式吊车厂房的插入式柱脚应加焊栓钉。其他柱脚刚接时宜优先采用插入式柱脚。

（5）应加强钢结构厂房的防腐蚀和防火设计。

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[7]中国建筑科学研究院工程部.钢结构设计软件STS应用讲解，2010.

钢结构设计规范篇3

【关键词】 钢筋砼结构；最小配筋率；受弯构件；带肋钢筋

【中图分类号】 TU528.0 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123（2011）01-065-02

Selection of minimum reinforcement ratio of reinforced concrete bending part

【Abstract】 Steel ratio of capacity to ensure the safe use of the main factors to determine reasonable minimum steel reinforcement

ratio, to ensure building safety and bring good social and economic benefits, the paper design of the structure under the current minimum

allocation Rate of reinforcement.

【Key words】 Reinforced concrete structure； Minimum reinforcement ratio； Bending part； Ribbed steel bars

现行的国家规范“砼结构设计规范”(GB50010-2002) 中把HRB400钢筋确定为钢筋砼结构的主导用筋。其后冶金企业研制开发的符合国情标准“钢筋砼用热轧带肋钢筋”(GB1499-1998) 的新型号筋。HRB500钢筋具有强度高、延性好、耐高低温、耐疲劳和可加工性能好的优点，符合砼结构对建筑用筋性能指标的主要内容要求。HRB500钢筋在建筑行业中己得到广泛使用，会促进其它相关建筑材料的发展提高，因此而带来可观的社会及经济效益，促进建筑业健康有序的发展具有重要意义。

钢筋砼梁的主筋纵向筋配筋率是保证安全使用影响承载力的主要因素，配筋率的变化不仅使梁的受弯承载力产生变化，而且会使梁的受力性能和破坏特征发生质的变化。当纵向主筋配筋率少到一定值后，梁的受力性能会产生大的变化，同无筋素砼梁没有什么差别。当这种梁一旦在受拉区的砼出现开裂，裂缝截面的拉力会很快超过屈服强度而进入强化阶段，造成整根梁发生撕裂，甚至使整个钢筋被拉断，这种破坏现象没有明显的预兆，属于脆性破坏。为了防止这种脆断的产生，钢筋砼结构设计规范明确规定：钢筋砼受弯构件的纵向受力主筋的配筋率不能低于某一限定值，该值即为受控钢筋的最小配筋率。HRB500钢筋作为一种新型的高强钢筋，已经在工程实践应用范围较广,必须合理确定其作为受拉钢筋的最小配筋率。在实践应用中探讨对HRB500钢筋作为受弯构件纵向主受拉的最小配筋率作浅要分析。

1最小配筋率确定的一般原则

钢筋砼受弯构件的最小配筋率是一个比较复杂的技术问题。试验和理论分析均表明,构件的最小配筋不仅与受力形态、表面尺寸及形式、材料强度有关,而且与受荷时间的长短、温度变化的大小、收缩及徐变的程度有关。目前世界一些国家对钢筋砼受弯构件的受拉钢筋最小配筋率的取值方法基本上有两种：即模型法和经验法。模型法是以截面受拉区砼开裂后，受拉钢筋由于配置过少而立即屈服进入强化阶段，此时的受拉钢筋配筋的最小配筋率。经验法是指直接给出最小配筋率的的取值，而没有受完整的受力模型作为取值准则，但其中也从不同角度考虑了一些因素对最小钢筋率取值的影响，所考虑的这些因素的影响规律与模型方案的趋势有一定的近似性。

而国内现行的《混凝土结构设计规范》对钢筋砼受弯构件的最小配筋率的确定原则是：截面开裂后，构件不会立即失效（裂而不断），即在最小配筋率的条件下，构件的抗弯承载力不低于同截面素混凝土构件的开裂弯矩，即：

MEY≤Mu ①

现以单筋矩形截面承受纯弯矩作用为例探讨钢筋砼受弯构件的纵向主受拉钢筋的最小配筋率问题。首先要计算钢筋砼梁的开裂弯矩。由于钢筋砼梁开裂时，钢筋的应力很低，因此计算钢筋砼梁开裂弯矩时，可以忽略钢筋的作用，即钢筋砼梁的开裂弯矩等于素砼的开裂弯矩。根据文献对素砼梁的开裂弯矩的推导计算，无筋素砼梁的开裂弯矩为：

MEY =0.256Fftbh2 ②

试中： ft-为混凝土轴心抗拉强度设计值。

根据钢筋砼梁的受力进行过程, 按照现行砼设计规范关于正截面承载力计算的基本假定“不考虑砼的抗拉强度”,假定钢筋砼梁达到极限承载力状态时的截面力臂为yho，其中y为内力臂长度系数,则钢筋砼梁的极限弯矩为:

MU = yhoòyAS

此时òy= fyAS =pmin bho Y=1

MU = ho fypmin bho③

将式②、式③ 带入式① 以后，求出：

pmin=0.256ft / fy[h/ho]2 ④

2国内不同时期砼结构设计规范对最小配筋率的规定

根据介绍对世界各有关国家砼结构设计规范，对钢筋砼受弯构件规定的最小配筋率进行了简单比较，见表1。为转化为国内材料强度后各有关国家砼结构设计规范，对钢筋砼受弯构件规定的最小配筋率表达式。

表1不同国家对钢筋砼构件最小配筋率计算要求

我国的设计规范对于钢筋砼受弯构件，确定的最小配筋率的规定基本上是沿用前苏联20世纪五、六十年代的规定,数值明显偏低。随着我国国力的增强,结构设计的安全度增大以及结构耐久性设计概念的应用,钢材供应状况及水平的偏高,每次规范修订均适当提高了受力钢筋的最小配筋率,而且使其更为合理。a.在原《钢筋混凝土结构设计规范》TJ10-74中规定受弯构件最小配筋百分率:当砼强度标号为200号及以下时为0.1;当砼强度标号为250-400号时为0.15。b.在进行了修改后的《混凝土结构设计规范》GBJ10-1989中规定受弯构件最小配筋百分率:当砼强度等级为C35时为0.15；当砼强度等级为C40-C60时为0.2。c.在现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中规定受弯构件最小配筋百分率为0.2和45 ft / fy中的较大值。

从国各内各个阶段设计规范对最小配筋率规定的变化可以看出:随着我国改革开放的进一步推进,国民经济收入稳步的提高,对结构安全度的要求逐渐提高,综合考虑各种因素,构件的最小配筋率均有提高,而且考虑了材料强度的影响,有利于促进高强材料在工程中的大量应用。

3HRB500钢筋砼受弯构件的最小配筋率的应用

根据我国现行的《钢筋砼用热扎带肋钢筋》GB1499-1998中规定:HRB 335的屈服强度为335 MPa，HRB 400的屈服强度为400 MPa,HRB 500的屈服强度为500 MPa。我国现行的《混凝土结构设计规范》规定：HRB 335的屈服强度设计值为300 MPa，HRB 400的屈服强度设计值为360 MPa，不同种类钢筋材料分项系数ys均为1.10，因此HRB500钢筋的屈服强度设计值应取为450MPa。根据资料介绍的试验结果并考虑到裂缝宽度的影响，对HRB500钢筋的屈服强度设计值建议为420MPa，材料分项系数ys为1.19。根据我国现行的《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中规定受弯构件最小配筋率百分率公式45 ft / fy，分别计算出各种钢筋的最小配筋率。详见表2。

表2钢筋混凝土受弯构件配筋率要求

根据表2可以看出，钢筋砼构件的最小配筋率的确定，不完全是技术问题，还反映了某一地区当时的经济建设发展水平，具有一定的社会性和政策性。因此，考虑将HRB 500钢筋砼受弯构件的最小配筋率百分率（%）为：当混凝土强度等级不大于C30时为0.15，当砼强度等级为C30以上时为0.2和45ft / fy 中的较大值为宜。根据上述浅要分析，国家推广应用HRB500钢筋不仅可以满足建筑行业科技飞速发展的需用，还具有明显的经济效益和社会效益。为了在工程实践中大力推广HRB500钢筋，考虑到我国实际国情，要采用HRB 500钢筋砼受弯构件的最小百分率（%）为：当砼强度等级不大于C30时为0.15，当砼强度等级为C30以上时为0.2和45ft / fy，中的较大值安全。

参考文献

1徐有邻等．混凝土结构设计规范理解与应用．中国建筑工业出版社, 2002

钢结构设计规范篇4

关键词： 轻钢结构； 活荷载； 体型系数； 柱脚； 材料

中图分类号： TU356 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）04-0082-02

1轻钢结构与普钢结构的区别

最早的轻钢结构概念就是指在普钢设计中不允许采用的材料如圆钢、小角钢等做成的结构而言的。随着工业发展与科技进步，现代轻钢结构概念中已经充实了更多的内容，又创新了更好的结构形式，进一步拓展了初始的应用领域。轻钢结构是采用区别于普钢结构使用的传统型材，如热轧H型钢、T型钢、冷弯薄壁型钢及薄壁焊接型材等；采用区别于普钢结构的设计理论方法，如考虑屈曲后强度，计入蒙皮效应等。

不同的规范有不同的设计体系，有许多不同的的规定。以《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）和《钢结构设计规范》（GB50017-2003）为例，它们有以下不同的内容：

①荷载取值不同，特别是风荷载和屋面活荷载等；

②分析方法不同，尤其是计算长度确定和局部稳定计算等；

③限制条件不同，如变形和长细比控制等；

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》第一页的总则说明了轻钢结构的范围，超出此范围其他钢结构应属于普钢或重钢。轻钢结构在设计过程中主要遵守《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，而普钢结构在设计过程中应遵守《钢结构设计规范》。作为工程界我们设计的依据是国家颁布的各种规范规程。如果建筑物超出了《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》画定的轻钢结构范围，仍要按照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》设计(主要是经济原因)，则需要提前与审图部门沟通或召开专家评审会，以免造成返工。

2活荷载取值问题

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》规定“对受荷水平投影面积大于60的钢架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3KN/。”

对受荷水平投影面积大于60的钢架构件，现在常用的设计方法是，屋面活荷载计算，计算钢架时一般取0.3KN/，计算檩条是一般取0.5KN/。与美国规范相比，作为安全储备的活荷载取值为0.3~0.5KN/，仅为美国规范0.6~1.0KN/的1/2左右。

近几年，全球气候异常，极端天气频出，遇到百年不遇的雪荷载或大风，就会影响到整个结构的安全问题，再加上门式钢架房屋截面小，重量轻，且依靠隅撑檩条来保证主钢架的侧向稳定，如果活荷载取值偏小，则会给整个结构带来安全隐患。笔者认为计算钢架时活荷载取0.3KN/还是取0.5KN/，应根据具体工程的实际情况来考虑。如果工程所在地冬季很少下雪，建筑功能变化的可能性很少，如仓库，民用建筑等，活荷载取0.3KN/问题不大；如果工程所在地冬季常下雪，建筑物带有吊车，有可能以后进行改造，如工业厂房，以后可能进行技术改造升级或增加设备，增加悬挂在钢架上的电缆、风管，在屋面放置新的设备等，活荷载应至少取0.5KN/。

如果雪荷载不小于活荷载，则计算时屋面活荷载取雪荷载与恒荷载或其他可变荷载组合。此时的雪荷载应该乘以1.25，主要是考虑屋面积雪的不均匀分布。

如果公用专业的管线悬挂在钢架上，主钢架设计时应考虑悬挂荷载，轻钢的经济性有赖于提供的荷载的准确性，公用专业最好把荷载大小作用位置准确提供。主钢架在不能准确提供荷载时，计算时活荷载应取活荷载+不小于0.4KN/的悬挂荷载。

3计算风荷载体型系数取值问题

到底按哪个规范取值，首先须知道两本规范体型系数是怎么来的。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）的风荷载体型系数是针对低矮房屋的，特点是梁的风荷载敏感性大，借鉴了美国金属房屋制造商协会MBMA《低层房屋体系手册》（1996），这些系数来源于加拿大风洞试验室做得试验，是比较详尽的，而且在MBMA中有檐高18m的算例。而《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）中的体型系数针对的是较高而窄的体型，这种体型柱的风荷载敏感性更大。按哪本规范的体形系数取，在设计时应进行进行判别。判别可参考中国有色工程设计研究总院魏利金编著的《建筑结构设计常遇问题及对策》一书中提供的方法：

（1）当跨高比L/H不大于4时，门式钢架结构的计算应按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）选用。

（2）当跨高比L/H不大于4时，门式钢架结构的计算应按《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》（CECS102：2002）附录A选取选用。

4轻钢门式刚架的柱脚设计

4.1柱脚刚接铰接选用问题

柱脚按其与基础的连接方式不同，分为铰接和刚接两种。前者主要承受轴力，后者用于承受轴力和弯矩。《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102：2002)第4．1．4条规定：“门式刚架的柱脚多按铰接支承设计，通常为平板支座，设一对或两对地脚螺栓。当用于工业厂房且有5t以上桥式吊车时，宜将柱脚设计成刚接。”规范这样规定，是因为门式钢架如果有吊车，钢柱横向荷载偏大，如柱脚采用铰接，柱顶位移、应力较大，为控制柱顶位移和应力要增大梁柱断面，增加用钢量，如果柱脚设计成刚接截面，柱子的计算长度系数是铰接情况下的0.8倍左右，柱顶位移和柱子应力小很多。在我们弄清楚规范此条编制的原因和力学原理后，笔者认为柱脚设计成铰接还是刚接，不光看有无吊车还要看房屋的高度和风荷载的大小，如果房屋的高度较大而风荷载也较大，就是无吊车，也应设计成钢接。

4.2钢柱脚底板边距的要求

柱脚的作用是把柱下端固定并将柱内力传给基础。由于混凝土的强度远比钢材低，所以，必须把柱脚底板放大，以增加与基础的接触面积。钢柱脚底板距基础边缘最小距离我国规范上没有相关规定。钢柱脚底板距基础边缘最小距离，考虑到地脚螺栓受拉时混凝土发生锥形破坏，国外规范都有此规定。日本《建筑设备耐震设计/施工指南》（2005版）规定：“C不小于4d，且C-d不小于50。其中，C为地脚螺栓中心到基础边缘的距离(mm)，d为地脚螺栓直径(mm)。”国内一些设计手册也有相关规定，如中国有色工程设计研究总院魏利金编著的《建筑结构设计常遇问题及对策》一书中要求“地脚螺栓中心到基础边缘的距离不小于4d且大于150mm。”；《混凝土结构构造手册》中规定：“钢柱柱脚底板边缘至基础边缘的距离不应小于100mm。”

笔者认为实际设计中应同时满足《建筑结构设计常遇问题及对策》和《混凝土结构构造手册》的要求。

5钢结构材料的选择

近些年由于钢材品种的增多，结构设计时可选择的构件形式很多。钢柱钢梁可选择热轧H型钢、焊接H型钢，材质可选择Q235普通钢，也可采用Q345低合金钢。设计时要选用经济截面型材，比如热轧H型钢，焊接H型钢等。在某些情况下，采用热轧H型钢柱、梁可能比采用焊接H型钢用钢量稍多，但从加工成本、施工进度等方面综合考虑，其造价可能更有优势。市场价格Q345钢要略高一些，但Q345钢性价比较高。强度控制时，且在有条件的情况下，宜采用Q345钢，它比Q235钢屈服强度提高45%左右，理论上可节约15%~25%的用钢梁。但是，当结构跨度较大，有重荷载作用，结构是以变形控制为主，用Q345时，构件的局部稳定性相对于Q235稍差一些。从规范的局部稳定性计算公式，可以很明显的看出来。用Q345钢时翼缘的挑出长度比Q235钢的小，大约是其0.825倍。总之材料的合理选用是钢结构承载能力的根本保证和追求经济性的前提，选用材料时需要综合考虑，比如构件是强度控制还是稳定控制。

参考文献：

[1] 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程（CECS102：2002）[M].北京：中国计划出版社，2003.

[2] 钢结构设计规范（GB50017-2003）[M].北京：中国计划出版社，2003.

[3] 建筑结构荷载规范（GB50009-2001）[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[4] 建筑设备耐震设计/施工指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[5] 混凝土结构构造手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.

钢结构设计规范篇5

关键词：水工 少筋 混凝土 结构 设计 方法

一、概述

少筋混凝土结构是指配筋率低于普通钢筋混凝土结构的最小配筋率、介于素混凝土结构和钢筋混凝土结构之间的一种少量配筋的结构，简称少筋混凝土结构，也称为弱筋混凝土结构。

这类结构在水利工程设计中是难于避免的，有时，它在某些水工混凝土工程结构中处于制约设计的重要地位。从逻辑概念讲，只要允许素混凝土结构的存在，必定会有少筋混凝土结构的应用范围，因为它毕竟是素混凝土和适筋混凝土结构之间的中介产物。

凡经常或周期性地受环境水作用的水工建筑物所用的混凝土称水工混凝土，水工混凝土多数为大体积混凝土，水工混凝土对强度要求则往往不是很高。在一般水工建筑物中，如闸墩、闸底板、水电站厂房的挡水墙、尾水管、船坞闸室等，在外力作用下，一方面要满足抗滑、抗倾覆的稳定性要求，结构应有足够的自重；另一方面，还应满足强度、抗渗、抗冻等要求，不允许出现裂缝，因此结构的尺寸比较大。若按钢筋混凝土结构设计，常需配置较多的钢筋而造成浪费，若按素混凝土结构设计，则又因计算所需截面较大，需使用大量的混凝土。

对于这类结构，如在混凝土中配置少量钢筋，在满足稳定性的要求下，考虑此少量钢筋对结构强度安全方面所起的作用，就能减少混凝土用量，从而达到经济和安全的要求。因此，在大体积的水工建筑物中，采用少筋混凝土结构，有其特殊意义。

关于少筋混凝土结构的设计思想和原则，我国《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—96)作了明确的规定。

二、规范对少筋混凝土结构的设计规定

对少筋混凝土结构的设计规定体现在最小配筋率规定上，这里将《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—96)（下文简称规范）有关最小配筋率的规定，摘录并阐述如下：

1．一般构件的纵向钢筋最小配筋率

一般钢筋混凝土构件的纵向受力钢筋的配筋率不应小于规范表9.5.1规定的数值。温度、收缩等因素对结构产生的影响较大时，最小配筋率应适当增大。

2．大尺寸底板和墩墙的纵向钢筋最小配筋率

截面尺寸较大的底板和墩墙一类结构，其最小配筋率可由钢筋混凝土构件纵向受力钢筋基本最小配筋率所列的基本最小配筋率乘以截面极限内力值与截面极限承载力之比得出。即

1)对底板(受弯构件)或墩墙(大偏心受压构件)的受拉钢筋As的最小配筋率可取为：

ρmin=ρ0min ()

也可按下列近似公式计算：

底板 ρmin= (规范9.5.2-1)

墩墙 ρmin= (规范9.5.2-2)

此时，底板与墩墙的受压钢筋可不受最小配筋率限制，但应配置适量的构造钢筋。

2)对墩墙(轴心受压或小偏心受压构件)的受压钢筋As’的最小配筋率可取为：

ρ＇min=ρ′0min ()

按上式计算最小配筋率时，由于截面实际配筋量未知，其截面实际的极限承载力Nu不能直接求出，需先假定一配筋量经2—3次试算得出。

上列诸式中 M、N——截面弯矩设计值、轴力设计值；

e0——轴向力至截面重心的距离，eo=M／N；

Mu、Nu——截面实际能承受的极限受弯承载力、极限受压承载力；

b、ho——截面宽度及有效高度；

fy——钢筋受拉强度设计值；

γd——钢筋混凝土结构的结构系数，按规范表4.2.1取值。

采用本条计算方法，随尺寸增大时，用钢量仍保持在同一水平上。

3．特大截面的最小配筋用量

对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件，规范规定：如经论证，其纵向受拉钢筋可不受最小配筋率的限制，钢筋截面面积按承载力计算确定，但每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。

规范对最小配筋率作了三个层次的规定，即对一般尺寸的梁、柱构件必须遵循规范表9.5.1的规定；对于截面厚度较大的板、墙类结构，则可按规范9.5.2计算最小配筋率；对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件则可按规范9.5.3处理。设计时可根据具体情况分别对待。

为慎重计，目前仅建议对卧置于地基上的底板和墩墙可采用变化的最小配筋率，对于其他结构，则仍建议采用规范表9.5.1所列的基本最小配筋率计算，以避免因配筋过少，万一发生裂缝就无法抑制的情况。

经验算，按所建议的变化的最小配筋率配筋，其最大裂缝宽度基本上在容许范围内。对于处于恶劣环境的结构，为控制裂缝不过宽，宜将本规范表9.5.1所列受拉钢筋最小配筋率提高0.05％。大体积构件的受压钢筋按计算不需配筋时，则可仅配构造钢筋。

转贴于 三、规范的应用举例

例1 一水闸底板，板厚1.5m，采用C20级混凝土和Ⅱ级钢筋，每米板宽承受弯矩设计值M=220kN／m(已包含γ0、φ系数在内)，试配置受拉钢筋As。

解：1)取1m板宽，按受弯构件承载力公式计算受拉钢筋截面面积As。

αs= ==0.012556

ξ=1-=1-=0.0126

As===591mm2

计算配筋率ρ= = =0.041%

2)如按一般梁、柱构件考虑，则必须满足ρ≥ρmin条件，查规范表9.5.1，得ρ0min=0.15%，

则 As=ρ0bh0=0.15%×1000×1450=2175mm2

3)现因底板为大尺寸厚板，可按规范9.5.2计算ρmin

ρmin===0.0779%

As=ρminbh0=0.0779%×1000×1450=1130mm2

实际选配每米5Φ18（As=1272mm2）

讨论：1)对大截面尺寸构件，采用规范9.5.2计算的可变的ρmin比采用规范表9.5.1所列的固定的ρ0min可节省大量钢筋，本例为1：1130／2175=1：0.52。

2)若将此水闸底板的板厚h增大为2.5m，按规范9.5.2计算的ρmin变为：

ρmin===0.0461%

则 As=ρminbh0=0.0461%×1000×2450=1130mm2

可见，采用规范9.5.2计算最小配筋率时，当承受的内力不变，则不论板厚再增大多少，配筋面积As将保持不变。

例2 一轴心受压柱，承受轴向压力设计值N=9000kN；采用C20级混凝土和I级钢筋；柱计算高度l0=7m；试分别求柱截面尺寸为b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m时的受压钢筋面积。

解：1) b×h=1.0m×1.0m时，轴心受压柱承载力公式为：

N≤φ(fcA+fy′As′)

==7＜8，属于短柱，稳定系数φ=1.0，

As′===3809mm2

ρ′===0.38%

由规范表9.5.1查得ρ0min′=0.4%，对一般构件，应按ρ0min′配筋

As′=ρ0min′A=0.4%×106=4000mm2

2) b×h=2.0m×2.0m时，若仍按一般构件配筋，则

As′=0.4%×2.0×2.0×106=16000mm2

现因构件尺寸已较大，可按规范9.5.3计算最小配筋率：

ρmin′=ρ0min′()

式中因实际配筋量As′尚不知，故需先假定As′计算Nu。

①假定As′=4000mm2。

Nu=fy′As′+ fyAs

=210×4000+10×4.0×106=40.84×106 N

ρmin′=ρ0min′()

=0.4%()=0.106%

As′=ρ0min′A=0.106%×4.0×106=4231mm2

②假定As′=4231mm2。

Nu=210×4231+10×4.0×106=40.89×106 N

ρmin′=0.4%()=0.1056%

钢结构设计规范篇6

关键词:水工 少筋 混凝土 结构 设计 方法

一、概述

少筋混凝土结构是指配筋率低于普通钢筋混凝土结构的最小配筋率、介于素混凝土结构和钢筋混凝土结构之间的一种少量配筋的结构,简称少筋混凝土结构,也称为弱筋混凝土结构。

这类结构在水利工程设计中是难于避免的,有时,它在某些水工混凝土工程结构中处于制约设计的重要地位。从逻辑概念讲,只要允许素混凝土结构的存在,必定会有少筋混凝土结构的应用范围,因为它毕竟是素混凝土和适筋混凝土结构之间的中介产物。

凡经常或周期性地受环境水作用的水工建筑物所用的混凝土称水工混凝土,水工混凝土多数为大体积混凝土,水工混凝土对强度要求则往往不是很高。在一般水工建筑物中,如闸墩、闸底板、水电站厂房的挡水墙、尾水管、船坞闸室等,在外力作用下,一方面要满足抗滑、抗倾覆的稳定性要求,结构应有足够的自重;另一方面,还应满足强度、抗渗、抗冻等要求,不允许出现裂缝,因此结构的尺寸比较大。若按钢筋混凝土结构设计,常需配置较多的钢筋而造成浪费,若按素混凝土结构设计,则又因计算所需截面较大,需使用大量的混凝土。

对于这类结构,如在混凝土中配置少量钢筋,在满足稳定性的要求下,考虑此少量钢筋对结构强度安全方面所起的作用,就能减少混凝土用量,从而达到经济和安全的要求。因此,在大体积的水工建筑物中,采用少筋混凝土结构,有其特殊意义。

关于少筋混凝土结构的设计思想和原则,我国《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—96)作了明确的规定。

二、规范对少筋混凝土结构的设计规定

对少筋混凝土结构的设计规定体现在最小配筋率规定上,这里将《水工混凝土结构设计规范》(SL/T191—96)(下文简称规范)有关最小配筋率的规定,摘录并阐述如下:

1.一般构件的纵向钢筋最小配筋率

一般钢筋混凝土构件的纵向受力钢筋的配筋率不应小于规范表9.5.1规定的数值。温度、收缩等因素对结构产生的影响较大时,最小配筋率应适当增大。

2.大尺寸底板和墩墙的纵向钢筋最小配筋率

截面尺寸较大的底板和墩墙一类结构,其最小配筋率可由钢筋混凝土构件纵向受力钢筋基本最小配筋率所列的基本最小配筋率乘以截面极限内力值与截面极限承载力之比得出。即

1)对底板(受弯构件)或墩墙(大偏心受压构件)的受拉钢筋As的最小配筋率可取为:

ρmin=ρ0min ()

也可按下列近似公式计算:

底板 ρmin= (规范9.5.2-1)

墩墙 ρmin= (规范9.5.2-2)

此时,底板与墩墙的受压钢筋可不受最小配筋率限制,但应配置适量的构造钢筋。

2)对墩墙(轴心受压或小偏心受压构件)的受压钢筋As’的最小配筋率可取为:

ρ'min=ρ′0min ()

按上式计算最小配筋率时,由于截面实际配筋量未知,其截面实际的极限承载力Nu不能直接求出,需先假定一配筋量经2—3次试算得出。

上列诸式中 M、N——截面弯矩设计值、轴力设计值;

e0——轴向力至截面重心的距离,eo=M/N;

Mu、Nu——截面实际能承受的极限受弯承载力、极限受压承载力;

b、ho——截面宽度及有效高度;

fy——钢筋受拉强度设计值;

γd——钢筋混凝土结构的结构系数,按规范表4.2.1取值。

采用本条计算方法,随尺寸增大时,用钢量仍保持在同一水平上。

3.特大截面的最小配筋用量

对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件,规范规定:如经论证,其纵向受拉钢筋可不受最小配筋率的限制,钢筋截面面积按承载力计算确定,但每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。

规范对最小配筋率作了三个层次的规定,即对一般尺寸的梁、柱构件必须遵循规范表9.5.1的规定;对于截面厚度较大的板、墙类结构,则可按规范9.5.2计算最小配筋率;对于截面尺寸由抗倾、抗滑、抗浮或布置等条件确定的厚度大于5m的结构构件则可按规范9.5.3处理。设计时可根据具体情况分别对待。

为慎重计,目前仅建议对卧置于地基上的底板和墩墙可采用变化的最小配筋率,对于其他结构,则仍建议采用规范表9.5.1所列的基本最小配筋率计算,以避免因配筋过少,万一发生裂缝就无法抑制的情况。

经验算,按所建议的变化的最小配筋率配筋,其最大裂缝宽度基本上在容许范围内。对于处于恶劣环境的结构,为控制裂缝不过宽,宜将本规范表9.5.1所列受拉钢筋最小配筋率提高0.05%。大体积构件的受压钢筋按计算不需配筋时,则可仅配构造钢筋。

三、规范的应用举例

例1 一水闸底板,板厚1.5m,采用C20级混凝土和Ⅱ级钢筋,每米板宽承受弯矩设计值M=220kN/m(已包含γ0、φ系数在内),试配置受拉钢筋As。

解:1)取1m板宽,按受弯构件承载力公式计算受拉钢筋截面面积As。

αs= ==0.012556

ξ=1-=1-=0.0126

As===591mm2

计算配筋率ρ= = =0.041%

2)如按一般梁、柱构件考虑,则必须满足ρ≥ρmin条件,查规范表9.5.1,得ρ0min=0.15%,

则 As=ρ0bh0=0.15%×1000×1450=2175mm2

3)现因底板为大尺寸厚板,可按规范9.5.2计算ρmin

ρmin===0.0779%

As=ρminbh0=0.0779%×1000×1450=1130mm2

实际选配每米5Φ18(As=1272mm2)

讨论:1)对大截面尺寸构件,采用规范9.5.2计算的可变的ρmin比采用规范表9.5.1所列的固定的ρ0min可节省大量钢筋,本例为1:1130/2175=1:0.52。

2)若将此水闸底板的板厚h增大为2.5m,按规范9.5.2计算的ρmin变为:

ρmin===0.0461%

则 As=ρminbh0=0.0461%×1000×2450=1130mm2

可见,采用规范9.5.2计算最小配筋率时,当承受的内力不变,则不论板厚再增大多少,配筋面积As将保持不变。

例2 一轴心受压柱,承受轴向压力设计值N=9000kN;采用C20级混凝土和I级钢筋;柱计算高度l0=7m;试分别求柱截面尺寸为b×h=1.0m×1.0m及2.0m×2.0m时的受压钢筋面积。

解:1) b×h=1.0m×1.0m时,轴心受压柱承载力公式为:

N≤φ(fcA+fy′As′)

==7<8,属于短柱,稳定系数φ=1.0,

As′===3809mm2

ρ′===0.38%

由规范表9.5.1查得ρ0min′=0.4%,对一般构件,应按ρ0min′配筋

As′=ρ0min′A=0.4%×106=4000mm2

2) b×h=2.0m×2.0m时,若仍按一般构件配筋,则

As′=0.4%×2.0×2.0×106=16000mm2

现因构件尺寸已较大,可按规范9.5.3计算最小配筋率:

ρmin′=ρ0min′()

式中因实际配筋量As′尚不知,故需先假定As′计算Nu。

①假定As′=4000mm2。

Nu=fy′As′+ fyAs

=210×4000+10×4.0×106=40.84×106 N

ρmin′=ρ0min′()

=0.4%()=0.106%

As′=ρ0min′A=0.106%×4.0×106=4231mm2

②假定As′=4231mm2。

Nu=210×4231+10×4.0×106=40.89×106 N

ρmin′=0.4%()=0.1056%

钢结构设计规范篇7

关键词：高层建筑钢结构 结构体系核心筒 竖向差异变形措施

前言

钢结构具有轻质高强、抗震性能好、工业化程度高、施工速度快、符合环保要求、符合可持续发展概念和科技含量较高等优点。随着我国实行积极采用钢结构的政策以及我国钢总产量进―步提高，建筑钢结构得到迅速的发展，特别是在住宅、办公和旅馆等钢结构建筑中得到越来越广泛的运用，使结构有较好的抗震性能。在建筑钢结构中，钢框架结构是一种多高层建筑常用的结构形式，但钢框架结构容易失稳，且钢结构设计方法存在着结构弹性内力分析与构件弹塑性极限状态设计、把强度与稳定分开来进行设计等不合理现象，因此，对解决以上问题进行研究具有理论和现实意义。随着多高层轻型钢框架的广泛应用，它的设计理论与方法是目前学术界和工程界普遍关注的热点问题。

一、工程概况

以某住宅小区为例，小区由两幢一梯四户18层钢结构住宅组成，每幢建筑地上l8层、局部19层，一层为商铺层高3．9米，2层至18层为住宅层，层高3．0m，19层为楼电梯机房高4．5米。单幢建筑长31．2m，宽17．8m，建筑面积7400 m2。工程采用钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构，填充墙采用加气混凝土砌块。

二、结构设计与构件、节点设计

2．1 结构设计特点

本工程结构采用钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构，较混凝土结构有结构构件尺寸小、结构自重轻、抗震性能好等优点；较钢管混凝土框架一支撑结构有侧移小、居住舒适度好，楼电梯间（混凝土核心筒）耐火性能好，火灾时有更宽裕的安全疏散时间等优点。

2．2 构件设计

2．2．1 钢管混凝土柱

该住宅小区框架柱采用钢管混凝土柱，钢管型号Ø0450×1 6 mm、Ø400×14mm、Ø400×12 mm、Ø400×10mm，材质为Q345B；钢管内混凝土强度等级从下到上逐次为C40、C35、C30；钢管混凝土柱有如下优点：

1) 钢管混凝土柱是钢材和混凝土两种结构的完美结合，钢管的约束使混凝土处于三向受压状态，混凝土抗压强度大为提高。

2) 核心混凝土的存在限制了钢管的局部屈曲，充分发挥钢材的强度。

3) 钢管不仅兼框架柱纵向钢筋、箍筋、混凝土模板的作用，而且钢管位置处于构件抗弯的最佳位置。

4) 核心混凝土的吸热、阻热作用使钢管混凝土柱耐火性能较钢柱提高显著。

5) 刚度和阻尼大，有利于控制侧移。

2．2．2 楼面体系

楼屋面采用100mm、110mm、120 mm的厚钢筋混凝土板，楼板通过抗剪栓钉与钢梁连接成组合楼盖。钢梁采用焊接H型钢。

2．2．3 钢骨混凝土剪力墙

本住宅小区工程核心筒采用C30、C40钢筋混凝土，混凝土核心筒四角构造设置钢骨柱，混凝土核心筒剪力墙在连梁内设置通长钢骨暗梁与钢骨柱刚接连接。

2．3 节点设计

框架梁与框架柱、剪力墙暗柱采用刚接连接，及梁翼缘与柱采用二级熔透焊缝连接，梁腹板通过高强螺栓与柱连接。主次梁节点一般采用铰接连接。柱脚采用埋入式柱脚。钢管柱埋入基础深度≥3h，钢管柱轴力通过抗剪栓钉传递，弯距通过钢骨混凝土柱纵筋传递给桩基承台。

三、结构整体计算分析

3．1 结构计算参数

该住宅小区Z1、Z2结构形式为钢框架一混凝土筒体结构，框架抗震等级一级，混凝土简体抗震等级一级，结构使用年限50年。

抗震设防烈度为8度、第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期0.4，多遇地震影响系数最大值0.16，罕遇地震影响系数最大值0.9。

基本风压0.3kN/m2，地面粗糙度B类。

楼面恒载按实际计算；一般楼面活载2.0Kn/m2，楼梯间及前室3.5 kN/m2，电梯机房7.0 kN/m2，阳台2.5 kN/m2，上人屋面2.0 kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2。

3．2 结构计算模型

建筑结构的整体分析采用我国建筑科学研究院编制的PKPM系列的STS、SATWE。

3．3 计算结果分析

3．3．1振型数与周期比

结构计算振型数取18个，X方向的有效质量系数97.68％，Y方向的有效质量系数95.90％，满足规范JGJ3―2002 5.1.13规定。

结构第一振型X向平动，第二振型Y向平动，第三振型扭转，T3/T1=0.80，满足规范JGJ3―2002,5.1.13规定。

3．3．3 总质量、最小剪重比

结构总质量9257.75t。

X向最小剪重比为4．58，Y向最小剪重比为5.51，满足规范GB5001 1―2001 5.2.5规定。

3．3．4 平面规则性

Satwe计算结构显示，楼层的最大层间位移/楼层的平均层间位移为1.395，满足规范JGJ3―2002,4.3.5规定。

3．3．5 竖向规则性分析

Satwe计算结构显示，结构竖向层刚度比满足3.4.2.2要求，无结构薄弱层，结构为竖向规则结构。

3．3．6 结构整体稳定分析

X向刚重比为9．62，Y向刚重比为10．68，满足规范要求JGJ3―2002 5．4．1规定。

四、地震作用补充计算

4．1结构的弹性动力时程分析

根据规范JGJ3―2002，4.3.5条规定，在考虑偶然偏心影响的地震作用下楼层竖向构件的最大位移不应大于该楼层平均位移的平均值的1.4倍。该高层钢结构住宅由于建筑平面不规则结构质量中心和刚度中心未能重合，楼层竖向构件的最大位移为该楼层平均位移的平均值的1.395倍， 已经接近规范限值，为慎重起见设计院按照规范JG5001 1―2001 5.1.2条规定进行弹性动力时程分析。

弹性动力时程分析选用两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，选取地震加速度时程曲线的最大值70cm/s2，场地特征周期为0.35s。弹性动力时程分析采用PKPM的SATWE模块进行分析计算。

计算结果显示，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力分别为振型分解反映谱法的84.1％ 、76.8％ 、88.9％ ，平均值为83.3％ ，满足规范JG50011―2001 5.1.2条规定，位移和层间位移角满足规范要求。

4．2 中震弹性分析

为了保证结构具有良好的抗震性能，真正实现“大震不倒、中震可修” 的抗震设防要求，设计院对结构一、二层剪力墙和框架柱进行中震弹性分析。

水平地震影响系数最大值取0.46，荷载和材料取设计值，不考虑风载组合，不考虑构件内力调整。

分析结果显示一、二层剪力墙和框架柱在中震作用下处于弹性，在中震作用下部分框架梁进入塑性阶段，设计实现了强柱弱梁、强节点弱杆件和塑性耗能等抗震设计理念。

五、结构抗震性能分析与抗震构造措施

5．1钢框架柱与混凝土核心简结构抗震性能分析

中国建筑科学院1991年进行的1：20的23层钢一混凝土混合结构模型试验，1999年同济大学进行的1:20的23层钢一混凝土混合结构模型试验，中国建筑科学院2004年进行的1：10的30层钢一混凝土混合结构模型试验结果表明钢一混凝土混合结构具有良好的抗震性能，能实现我国现行规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。但在罕遇地震下存在混凝土筒体延性不足，底部剪力墙部分墙体、连梁开裂，框架二道防线作用不显著，框架柱梁柱个别节点开裂等问题。

5．2框架柱一混凝土核心筒结构的抗震构造措施

针对上述模型试验结果，并结合1964年美国阿拉斯加地震，1995年日本坂神地震灾害情况，在进行该高层钢结构住宅结构设计过程中采取了如下抗震构造措施。

1)提高混凝土核心筒的延性

在混凝土核心筒四角沿全高埋设钢骨柱，各层混凝土核心筒周边、筒内隔墙连梁内设置钢骨暗梁，钢暗柱与暗梁、钢框架梁刚接连接，这样不仅提高了混凝土核心筒的延性和抗弯抗剪能力，还提高了结构的整体变形能力。

2)提高钢框架的承载能力

根据JGJ3―2002 11.1.5规定，钢框架一混凝土核心筒结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于底部总剪力的25％和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值。该高层钢结构住宅结构设计时在1轴15轴全高设置两道型钢支撑以加强钢框架部分的抗震承载力，反复调整钢管混凝土柱断面尺寸、钢板壁厚以满足规范规定。

3)实现强柱弱梁

强柱弱梁、强节点弱杆件是我国抗震规范的基本要求，是实现大震不倒、结构塑性耗能的前提，但汶川地震的实践证明，部分结构设计文件对现浇板在框架梁抗弯承载力的贡献考虑不足，没有真正实现强柱弱梁这一抗震规范的基本要求。

该高层钢结构住宅结构设计中实现了强柱弱梁。以顶层最大跨度框架为例，框架柱为Ø40矩形钢管混凝土柱钢管型号Ø400 X 10mm，钢梁型号H450×150 ×8×12，矩形钢管混凝土柱极限抗弯承载力大于钢梁抗弯承载力两倍以上。

4)强节点弱杆件

1964年美国阿拉斯加地震，1995年日本坂神地震灾害情况表明，等截面梁与柱栓焊连接的高层钢结构在遭受大震后其破坏部位往往在框架梁的下翼缘与柱的工地焊缝连接处，致使钢结构的延性没有发挥出来，高层钢结构住宅结构设计中采用楔型盖板加强框架梁梁端与钢柱的刚性连接节点，钢柱内在框架梁翼缘对应位置设置厚度为16mm （较梁翼缘厚度大4mm）的横隔板，梁柱刚接区域及梁翼缘上下600mm范围全部采用全熔透坡口焊缝以保证强节点弱杆件的抗震设计要求。

六、钢框架柱与混凝土核心筒结构设计中存在的问题及措施

6．1 混凝土核心简收缩、徐变等竖向差异变形的不利影响和应对措施

核心筒混凝土在凝固过程中体积会收缩、在长期荷载下混凝土会徐变，而钢柱无此收缩和徐变，核心筒和钢框架柱的不协调变形在结构内产生较大的内力。

为消除核心筒和钢框架柱的不协调变形在结构内产生的内力，设计采取如下措施：

1)核心筒轴压比控制在0.4以下。

2)钢筋混凝土核心筒超前施工5～6层。

3)现浇混凝土楼面在核心筒设置后浇带。

4)控制混凝土的水灰比，使用减水剂，采用弹性模量较大的骨料如石灰岩。

6．2 钢框架柱与混凝土核心筒基础差异沉降的不利影响和应对措施

建筑物地基沉降一般为碟形分布及建筑基础的沉降量中间大、四周小，而框架核心筒结构地基的不均匀沉降更为显著。地基的不均匀沉降在上部结构中产生内力，严重时引起结构和构件的破坏。

钢结构设计规范篇8

关键词：美标规范；钢结构；抗弯构件

中图分类号：TU392 文献标识码：A

中美两国规范体系不同，两者在结构设计上也迥然不同。随着我们企业逐渐走出国门，进入广大的国际市场，尤其是在亚非拉众多国家，当地的结构设计往往按照美标设计，或者以美标为基础建立发展自己国家的设计规范，在这些国家承包的工程，其结构设计往往要求必须遵循当地规范或者美标规范，这就要求我们的企业必须掌握美标规范设计。出于这方面考虑，我们对美标规范设计进行了研究，在本文中我们选取构件设计中常见的抗弯构件设计来进行对比分析，并以某钢结构简支梁截面为例进行案例验算分析。

1.受弯构件强度计算流程

1.1 中国标准（GB）计算流程

根据现行钢结构设计规范GB50017-2003，钢结构受弯构件的正应力强度计算、剪应力计算、局部承压强度计算、以及折算应力计算分别如下列公式（1）、（2）、（3）、（4）。

上述公式中有关参数见GB50017第4.1.1～4.1.4条相应条款，上述公式仅适用于主平面内受弯的实腹式构件，不适用于腹板屈曲后强度验算。一般验算主平面内受弯的腹板未屈曲的实腹式构件，均要验算上述式（1）、式（2）。特殊情况还需要根据GB50017按照式（3）、式（4）验算。

1.2 美标规范计算流程

美国钢结构协会AISC提出了两种钢结构设计方法，即LRFD和ASD法。设计人员可自行选定采用何种方法进行结构设计，而选取的依据是设计的经济合理性。

剪应力强度计算公式见式（5）。

kv―腹板稳定系数；对于非加劲截面且h/tw3.0或a/h>[260/（h/tw）]2；横向加劲肋除应满足上述要求，还应满足构造要求，具体详ANSI/AISC 360-10 G3.3节。

2.受弯构件稳定计算流程

2.1 中国标准（GB）计算流程

当不满足钢结构设计规范GB50017-2003第4.2.1条规定时，钢结构受弯构件的整体稳定计算，单向弯矩作用和双向弯矩作用分别如下列公式（9）、（10）。

不满足上述第一种情况的箱形截面简支梁，其截面尺寸满足h/b0≤6，l1/b1≤95（235/fy）时可不计算整体稳定性。有关参数见《钢结构设计规范》第4.2.2～4.2.4条相应条款。

2.2 美标规范计算流程

（1）无需计算整体稳定

ANSI/AISC 360-10中，F2、F3、F4、F5章节所列的截面，当Lb≤Lp时，不用进行侧向扭转屈曲极限状态计算；F6、F7、F8章节所列的截面不用进行侧向扭转屈曲极限状态计算。

3.2 中国标准（GB）验算

强度：由规范得，对于双轴对称工字形截面γx=1.05；

结论

本文介绍了中国标准和美国规范对于钢结构抗弯构件的强度计算及稳定计算的流程，并且选取一实际案例进行对比计算。从上文可以看出美标规范在构件计算上的规定要细、要求更多，计算流程更为烦琐。

钢结构设计规范篇9

【关键词】高强度钢筋；地铁工程；推广分析

0 引言

目前全国地铁工程建设正在蓬勃发展，钢筋需求量也在逐年增加。地铁工程结构设计中受力钢筋大部分依然采用HRB335级钢筋，这与《意见》中“深入贯彻落实科学发展观，以建筑钢筋使用减量化、提高资源利用效率为目标，通过完善政策和标准配套，优化建筑钢筋生产、使用品种和结构，创新应用建筑高强度钢筋工作机制，实现钢铁行业与建筑业的技术进步和节材、节能”的指导思想不符。

当前，通过技术革新，我国的钢铁行业通过产业调整，已经具备了替换HRB335级钢筋的条件。现在此项工作在房建工程中推广速度较快。地铁建设在推广高强度钢筋方面还存在诸多困难和问题，但从国家大力发展推广高强度钢筋的决心来看，地铁建设应从长远考虑，通过转换设计人员意识，分阶段加大推广高强度钢筋的应用。

1 现阶段地铁工程推广高强度钢筋遇到的主要问题

1、设计人员的使用习惯问题

设计是工程建设的龙头。一方面是若干年来，设计院的建设规模不断扩大，任务多、工作重，设计人员已经习惯于采用335MPa钢筋。另一方面各种原有通用建筑图集未进行更新，大量的借用原有标准图钢筋布置也是造成高强钢筋推广的桎梏。

2、部分规范还不配套

目前的建筑设计规范有《混凝土结构设计规范》、《建筑抗震设计规范》，也有许多行业设计规范，如《地铁设计规范》、《铁路桥涵钢筋混凝土结构设计规范》等。在这些规范中，已经有一部分新近列入了高强度钢筋品种，但有一些规范仍没列入400MPa及以上高强度钢筋品种。例如《地铁设计规范》（GB50157-2003）中没有400MPa钢筋品种，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62-2004）、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）对螺纹钢筋的使用，只规定了HRB335和HRB400两种牌号，2009年新编制的《高强度钢筋在混凝土结构中应用技术导则》也只规定了最高强度级别为HRB500。设计规范对使用400MPa（Ⅲ级）以上高强度钢筋的应用没有具体要求，使设计部门无依据可查。

3、裂缝控制验算问题

现行国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）对普通钢筋推荐采用HRB400级及以上级别的钢筋。但地下结构承受荷载大，钢筋用量多，配筋大多由裂缝要求控制。由该规范中的裂缝宽度计算公式可知，在其他条件相同的情况下，为控制构件的裂缝宽度所需要的钢筋面积仅与钢筋类别（光面钢筋或带肋钢筋）有关，而与钢筋的设计强度无关。所以在这种情况下，采用设计强度较高高强度钢筋并不能达到减少钢筋用量或减薄断面厚度的目的。

4、订购环节问题

尽管长期以来，国家有关方面一直在积极呼吁提高高强度钢筋的消费比例，这对提高国内高强度钢筋的消费比例起到了一定的

推动作用，但由于缺乏具体的有效措施，效果一般。目前高强度钢筋在市场上基本有价无市，地铁工程大批应用高强度钢筋需提前预定，订购环节相对困难难，满足不了建筑工地的配送和使用要求，制约了工程中应用。

2 高强度钢筋的发展概况

目前，我国建筑业发展十分迅猛，已成为我国国民经济的重要产业之一，钢铁材料始终是建筑结构的主体材料，建筑用钢材需求量较大，占钢材消费量的50%以上。此外由于我国的基础设施仍然是以钢筋混凝土为主要材料，所以多年来钢筋和线材一直在建筑用钢中消费量最大。2010年我国钢筋产量1.4亿t，其中HRB335约占60%左右，HRB400占不到40%左右，HRB500仅有少量应用。

在美国、加拿大、韩国、伊朗、日韩等国家，400MPa级钢筋的用量已达到70%以上，500MPa级钢筋的用量也达到25%；德国、法国、英国等国家，500MPa级钢筋的比例已达到70%以上，并且对600MPa级钢筋提出了需求。

《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》GB1499.2-2007新标准于2008年3月1日贯彻实施。标志着热轧带肋钢筋高强度钢筋已全面进入推广应用阶段。

3 高强度钢筋的技术指标（HRB400级钢筋为例）

1、化学成分

表1 化学成分和碳当量

4 高强度钢筋的优点（以HRB400级钢筋为例）

1.强度高、安全储备大、经济效益显著

用HRB400级钢筋取代传统的Ⅱ级钢筋和Ⅰ级钢筋，则在结构中可分别节约14%和32%左右的钢材。通过调查现阶段新Ⅲ级钢筋与Ⅱ级钢筋相差100元/t左右，随着国家政策调整，新钢筋产量的增加，这一差距会逐步缩小，最终会发生逆转。

2.机械性能好

HRB400钢筋显著改善了Ⅱ级钢筋在力学性能方面的不足，避免了尺寸效应大以及Ⅱ级钢应变时延伸率下降20%-29%的弊病。

3.抗震性能良好

由于HRB400钢筋的强屈比σb/σa＞1.30（σb=540Mpa/σs=400Mpa），在遭遇地震灾害时，能发挥良好的抗震作用，有利于提高建筑结构的抗震性和安全性。此外高强抗震钢筋也相继研发成功，并已能够批量生产，能够满足更高的抗震需求。

4.使用范围广、规格齐全

产品直径为6-50mm，推荐直径为6、8、12、16、20、25、32、40、50，克服了Ⅱ级钢缺少φ＞25mm粗直径直条筋的难题，便于施工下料与配筋绑扎，使钢筋布置更趋合理。

5、便于施工

通过大量施工验证，高等级钢筋的断料、弯曲、焊接以现有的加工机械完全能够满足要求。此外使用高强度钢筋后，由于钢筋用量减少，可显著改善目前框架结构中梁、柱节点和框架柱中钢筋拥挤的现象，混凝土施工将更加方便，质量更有保障，大大增大了工程的安全可靠度。

5 目前的政策及标准规范导向

1、政策导向

钢结构设计规范篇10

关键词钢筋混凝土结构；含钢量；因素；控制措施；

中图分类号：TU375文献标识码： A 文章编号：

引言

如何在满足安全可靠的前提下，尽量减小用钢量，是现阶段设计人员需要面对的问题。首先需要明确的是，结构方案的合理性和规则性是决定结构体系含钢量的首要因素。

一、影响含钢量的因素

1.1 自然条件

处在地震设防烈度等级高或者风压大的地区, 含钢量高, 反之较低。在气候恶劣、温差变化剧烈的地区, 为抵抗温度应力, 增加抗拉性能优良的钢筋配置,也是工程师常用的办法。建筑场地土质差, 浅层土承载力低, 持力层埋深大时, 需要采用桩基础或很厚的钢筋混凝土筏板, 含钢量自然大。

1.2 政策法规

为了增强结构的耐久性而需多用一些钢材应属合理使用, 为了增强延性和防倒塌能力, 还要合理增大构造用钢量。

新修订的规范对非抗震结构中受弯、偏心受拉和轴心受拉构件中的受拉纵向钢筋最小配筋率改用特征值表达式和下限值相结合的取值方法, 使其取值水准适度提高; 对抗震框架梁受拉纵向钢筋最小配筋率增加特征值表达式, 适度提高了其在混凝土强度等级偏高情况下的取值; 适度提高了非抗震受压构件和抗震框架柱的纵向钢筋最小配筋率取值; 新增了基础底板最小配筋率的取值规定。

1.3 设计参数

建筑专业的设计对含钢量影响最大的一个方面,是建筑物的规则性, 具体体现在开间、进深、层高、平面形状的凹凸、竖向立面的缩进悬挑等等。如果一个总面积不大的房子, 开间、进深、层高各不相同, 平面立面多有变化, 其含钢量必然很大, 这也是一般公共建筑(剧院、体育馆等) 比同等面积的住宅办公楼含钢量大一两倍的原因。此外, 对于工业厂房, 影响含钢量的设计参数则是厂房的跨度、高度、柱距、吊车吨位和楼面荷载。

结构设计最重要的一点是结构方案和选型, 要想在现有建筑方案的基础上降低含钢量, 必须进行多方案比较。在结构设计中, 结构方案选择不合理造成的浪费往往比配筋计算的不精确造成的浪费大得多。

1.4施工变更

在施工过程中, 各方面可能会提出各种各样超出原设计图纸的要求, 或者由于设计考虑不周造成与实际情况不符合等, 就会出现施工变更。由于变更是在现场提出的, 要求尽快实施, 没有时间反复计算比较,设计人员凭经验作出答复, 这些变更一般偏于保守。另一种常见的情况是因为采购不到设计所要求品种规格的钢筋, 必须进行钢筋代换。钢筋代换的总原则是保证钢筋代换之后的结构在强度、抗裂、抗变形等方面的性能均不低于原设计结构, 代换后的用钢量多数只增不减。据决算部门统计, 施工变更造价占整个工程造价的比例达10%, 有时甚至更多, 这其中就有含钢量增加的因素。

二、控制含钢量的措施

2.1 宏观方面

2.1.1合理的建筑方案

结构设计工作者应在建筑前期方案设计时就参与进来。依据本专业的规范要求，对方案的结构合理性提出建议。（1）建筑平面布置上力求方正规则。尽量避免出现平面不规则，这就可以少布置或不需要布置抗扭构件来降低钢筋的使用量；控制平面长宽比。平面长宽比较大的建筑物，由于两主轴方向的整体刚度相差甚远，在水平力作用下，两向构件受力的不均匀性造成配筋不均，增加钢筋用量。（2）建筑物的体型简单规整。结构的侧向刚度和水平承载力沿高度宜均匀变化，层高相差不要太大，避免因为层间刚度比不满足规范要求而增加抗侧力构件，从而提高钢筋用量。

2.1.2 合理的结构布置

（1）应根据建筑平面布置、竖向布置和使用功能要求合理选择结构体系，对后期的施工图设计减少钢筋的用钢量有很大的帮助。

（2）柱网尺寸布置要合理。柱网大则楼盖用钢量增多，柱网小则柱子构件的用钢量增加，这需要结构工程师根据建筑的实际情况和经验合理布置柱网。柱网尺寸要均匀，可以使柱、梁、板构件的受力合理，从而降低构件的用钢量。

（3）抗侧力构件的位置要合理。抗侧力构件应布置在结构的周边位置，并尽量使结构的刚度中心与质量中心相靠近。这样可以减少抗侧力构件的数量和结构的抗扭效应，可以使整体结构的用钢量降下来。

2.1.3 取用合理的计算参数

国内使用结构设计的计算软件很多。共同点是很多计算分析的参数都需要设计工作者人工来设定或者取用。这些参数大到场地土类别，设防烈度，周期折减系数；小到中梁刚度放大系数，梁端负弯矩条幅系数，梁扭矩折减系数。无一不是会或多或少对结构构件的受力计算与配筋面积产生影响。因此，取用正确合理的计算参数，不仅是结构安全与否的决定因素之一， 也是影响结构含钢量的重要因素。这就要求设计工作者结合规范，深入了解各参数设置取用的规则以及其相应含义，一定要做到设置参数时正确合理，这对含钢量的控制将十分有利。

2.1.4 钢筋材料的选择

目前常用的钢筋级别有三种：HPB300、HRB335 和HRB400。对于剪力墙、柱、粱等构件选用HRB400 级钢筋，可以充分利用其高强度，大大降低钢筋耗钢量。统计显示使用HRB400 级钢筋比使用HRB335级钢筋节约8%~10%的钢筋用量。此外，使用高强度等级钢筋对钢筋加工、绑扎、缩短施工周期都有很大的益处。因此设计中构件受力钢筋选用HRB400 级代替HRB335 级是行之有效的减小含钢量和控制成本的措施。

2.2微观方面

2.2.1 剪力墙配筋控制

剪力墙依规范规定应设置边缘构件。约束边缘构件的配筋面积大大多于构造边缘构件，因此边缘构件处理得合理与否，直接决定了剪力墙的钢筋用量。笔者认为依据《建筑抗震设计规范》6.4.5 条1 款。层数较少的建筑，可通过对剪力墙截面的调整，使底层墙肢底截面的轴压比不大于表6.4.5-1 的规定，则无需设置约束边缘构件。多、高层建筑，依轴压比大小必须设置约束边缘构件时，要由依有据慎重划分底部加强部位的范围，若为安全随意扩大其范围，势必造成无谓的钢筋浪费。

2.2.2 柱配筋控制

（1）控制其截面尺寸和轴压比，使绝大部分柱段都是构造配筋而非内力控制配筋， 此时柱主筋就只需满足规范规定的最小配筋率即可。

（2）《建筑抗震设计规范》和《混凝土结构设计规范》中都明确规定了柱箍筋的最小体积配箍率。在满足规范此项要求的前提下，分析箍筋体积配箍率的计算公式，可知提高箍筋强度等级可减少箍筋用量。

（3）尽量使梁对柱中心布置。这样可以减小柱的偏心受压，有效减少柱的纵筋配量。

2.2.3 梁配筋控制

从梁纵向钢筋最小配筋率及梁箍筋配箍率公式中可知，不使用过高混凝土强度等级，采用高强度钢筋可以减小梁的钢筋用量。前者不但可降低最小配筋率，还有利于提高梁的抗裂性能。对截面宽度较小的梁，当纵向配筋面积较大时往往需要放2～3 排钢筋。这将减小梁的有效高度。因此当不影响使用或建筑空间观感时，梁宽宜略为放大，尽量布置成单排主筋，以达到节省钢筋的目的。同时应尽量避免梁宽≥350mm，否则箍筋按构造须采用4 肢箍，造成箍筋用量增加。依据《建筑抗震设计规范》6.3.3 条规定， 尽量避免梁端纵向受拉钢筋配筋率>2%从而造成箍筋用量增加。此外，梁承受集中荷载处要配置附加横向钢筋。正常结构布置的楼层梁，每一处集中荷载一般都不太大，在通常情况下，仅在梁侧配置加密箍筋已经足够，若再加配吊筋则已能承受更大的集中荷载。因此设计中不要盲目加大吊筋直径，以减少钢筋的浪费。

2.2.4 板配筋控制

（1）按《混凝土结构设计规范》5.4.1 与5.4.2 条规定，板块可以使用塑性理论来计算，同时应满足正常使用极限状态要求且采取有效措施。运用PKPM 软件对板配筋的结果对比显示，双向板用塑性理论计算得到的配筋结果比用弹性理论计算得到的配筋结果少25%左右。

（2）现浇板宜做成双向板，双向板相对单向板要经济。

（3）合理控制现浇板的厚度。在满足最小板厚的前提下，现浇板厚度的取值应使板的配筋由内力控制而非构造配筋。

（4）合理选择楼板的混凝土强度等级，强度等级低则构造配筋就小，反之则大。三、结束语

综上所述，在确保结构方案尽可能合理的前提下，对各结构构件进行精心设计，结构用钢量应该可以控制在一个较为经济合理的范围内。文中虽然提出了一些降低含钢量的措施，但并不提倡含钢量越少越好。不能为了追求低含钢量而使结构偏于不安全。以含钢量作为硬性指标或者拼比含钢量的做法都已经失去了结构设计的本质意义。

参考文献

[1] GB50010-2002 混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社，

[2] JGJ3－2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社，2010.