佳木斯倒塌的体育馆：宽厚钢梁的必要抗扭构造

本文主要讨论我国《钢结构设计标准》（GB50017-2017）、《钢结构通用规范》（GB55006-2021）与美国标准AISC360在钢结构受弯构件方面的对比分析。

在详细讨论验证公式之前，我们首先要注意一点。 AISC360中非常明确地指出，弯曲验证的公式是以支撑件具有足够的扭转约束为前提的。 原文如下：

事实上，我国的规范中也有类似的规定。 例如，《钢结构通用规范》（GB55006-2021）第4.1.4条规定“构件受约束端及内部支撑应采取措施，保​​证截面不扭曲”； 《钢结构设计标准》（GB50017-2017）第6.2.5条规定“在梁的支撑处应采取防止梁端截面扭转的结构措施”。 这似乎与最近热议的佳木斯体育馆倒塌事件有关。 也许这不是倒塌的直接原因，但从现场照片来看，确实是钢支撑处钢梁缺乏必要的抗扭结构。

让我们回到规范本身。 AISC360将弯曲构件的截面类型分为紧凑型、非紧凑型和细长型。 从字面上看，这三种横截面可以直译为：“紧凑”、“非紧凑”和“细长”，但这种翻译似乎比较混乱。

以Q235材质的H型钢法兰为例，当法兰宽厚比小于

当截面类型为Compact时； 当宽厚比大于

，并且小于

当宽厚比大于29.5时，截面类型为细长截面。

《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中，S2级和S3级边界宽厚比为11，与AISC360的规定比较接近； S5型材翼缘最大宽厚比为20，小于AISC360细长型材。 定义。 可见，紧凑型断面更接近《钢结构设计标准》（GB50017-2017）的S1、S2断面； Noncompact 更接近 S3、S4 和 S5 部分； Slender对应的截面类型已超过《钢结构设计标准》（GB50017-2017）截面分类，更接近薄壁钢截面。 我们知道S1和S2剖面为地震剖面，也可称为“韧性剖面”。 因此，AISC360中的Compact可以理解为“延性截面”，Noncompact可以理解为“普通钢截面”，而Slender则是真正的薄壁截面。

AISC360中给出了Compact、Noncompact和Slender需要校核的内容，一般包括弯曲强度和稳定性校核。 稳定性校核有多种类型，包括横向扭转失稳校核和压缩法兰局部失效计算。 稳定性校核计算、web局部不稳定校核计算等

下面以紧凑型双轴对称腹板和翼缘双轴对称H型钢构件的主轴弯曲计算为例，分析中美规范的差异。

双轴对称H型钢，腹板和翼缘截面均满足紧凑型要求。 主轴弯曲计算包括：（1）强度屈服校核； (2)横向扭转不稳定性检查。

(1)强度屈服校核计算

在这个公式中，

是绕强轴的塑性截面模量。

与《钢结构设计标准》（GB50017-2017）相比，主要区别在于：

和

。 对于H形截面，

。 一般情况下，塑性截面模量与弹性截面模量之比大于1.05。 可见，对于S1、S2类，AISC360计算的强度承载力大于《钢结构设计标准》（GB50017-2017）。 这也表明AISC360充分利用了该部门的塑料开发能力。 S1、S2优良的断面特性直接体现在承载能力上，而我们的规范更强调该类断面的延性。 其主要优点体现在满足抗震规范要求的能耗特性上。

(2) 横向扭转失稳校核计算

什么时候

当 时，无需校核侧向扭转失稳；

什么时候

小时，

什么时候

小时，

看到上面的公式，相信大多数人都会感到陌生。因为我们熟悉的受弯构件整体稳定性校核公式根本不是这样的。 那个神秘的

它缺失了，就像压力验证时没有出现压力稳定系数φ一样。 这一点也体现了两个标准整体思路的差异。 《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中的很多公式看起来很简单，但往往将丰富的内容浓缩为一个或几个参数，比如这样

，在《钢结构设计标准》（GB50017-2017）中，用了一整个附录C来描述该参数的计算方法，而附录C只给出了

计算公式，但没有这些公式的来源。 相比之下，AISC360的上述公式显得更简单。 根据受压翼缘平面外支撑间距，承载力校核分为三类，分别涉及塑性、弹塑性失稳和弹性失稳的两种临界支撑间距和边界无支撑间距。

可以根据以下公式计算：

当受压翼缘面外支撑间距小于

当 时，无需校核横向扭转失稳，即不会发生面外失稳； 当面外支撑间距大于

，但小于

可能会发生弹塑性失稳； 当面外支撑间距大于

，会发生弹性失稳。

我们来看一个简单的计算例子。

AISC360-10验证流程及结果如下：

《钢结构设计标准》（GB50017-2017）验证过程及结果：

本例中，AISC360计算的应力比为0.69，而《钢结构设计标准》（GB50017-2017）计算的应力比为0.77。从材料强度角度看，《钢结构设计标准》中的Q235强度设计值设计标准”（GB50017-2017）为215MPa，略高于AISC360-10。

。 造成结果差异的原因之一是AISC360对S1和S2截面的塑性利用率大于《钢结构设计标准》（GB50017-2017）的塑性利用率。

对于上述计算实例，受压翼缘面外支撑间距在Lp和Lr之间，属于第二种类型。 为了更全面地比较其他类型之间的差异，基于上述示例进行进一步深入的分析。 假设受压翼缘无支撑间距为变量，研究最终应力比与无支撑间距的关系如下图所示。

观察两条线的趋势可以看出，按《钢结构设计标准》（GB50017-2017）计算的应力比大于AISC360。当面外支撑间距较小时，两者的差异两者都小； 当支撑间距较大时，两者相差较大，特别是当支撑间距大于

，两者之间的差异更为显着。 还可以看出，GB50017对弯曲构件面外扭转弹性失稳的考虑较为保守。

本文仅以Compact截面为例，比较中美规范计算方法和计算结果的差异。 除了 Compact 部分之外，还有许多其他类型，本文的结论不一定适用于所有类型。 另外，需要再次说明的是，每个国家的规范都有自己的体系，这与可靠性、材料水平、加工施工水平等诸多因素有关。 本文仅对计算公式本身进行比较，不足以说明整体差异。