如何控制钢结构构件的宽（高）厚比

如何控制钢结构构件的宽（高）厚比

何红涛魏国锋

中联西北工程设计研究院有限公司

摘要：控制钢结构构件的长细比，是为了保证构件在荷载作用下不发生整体失稳，而控制钢结构构件的宽（高）厚比，是为了保证构件在荷载作用下不会产生局部失稳。本文主要从抗震构造角度和构件受力角度去详细分析为什么要去控制钢结构构件的宽（高）厚比，以及如何去控制钢结构构件的宽（高）厚比。目的是引起大家在钢结构设计时对钢结构构件的宽（高）厚比的重视，防止构件产生局部失稳而导致结构整体破坏。

关键词：翼缘；腹板；宽厚比；高厚比；局部失稳

概述：在钢结构构件中，梁、柱、支撑等主要受力构件都是用钢板焊接而成的，当这些构件的翼缘的宽厚比或高厚比过大时，在外界荷载作用下，就有可能在这些构件发生强度破坏或整体失稳前，组成构件的翼缘或腹板出现偏离其原来平面位置的波状屈曲，我们将这种现象称为构件的局部失稳。构件发生局部失稳后，并不一定就立即导致构件的整体失稳，也可能继续维持着构件的平衡状态，由于部分构件屈曲后退出工作，使构件的有效截面减小，会加速构件的整体失稳而丧失构件的承载能力。所以控制钢结构构件的宽（高）厚比非常重要。

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第8.3.2条及第8.4.1.2对钢结构构件梁、柱及支撑的板件做出了具体的宽厚比要求，从抗震设计的角度，结构在地震作用下，构件端部可能会出现塑性铰范围。《钢结构设计标准》GB50017-2017第10章塑性设计要求某些截面形成塑性铰并能产生所需的转动，使结构形成机构，第10.1.5条对构件截面板件的宽厚比进行区别对待，发生塑性转动的部位宽厚比要求较严，不形成塑性铰的部位，要求较松。目的就是为了避免由于板件在转动过程中产生局部失稳而降低构件的承载能力。所以抗震设计时控制钢结构构件的宽（高）厚更加重要。

从抗震构造角度，《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第8.3.2条及第8.4.1.2对抗震等级为一、二、三、四级钢结构构件梁、柱及支撑板件的宽厚比作了详细要求。对于工字型截面和箱型截面梁的腹板还与梁的轴压比Nb/Af有关。陈绍蕃教授指出，以轴压比0.37为界的12层以下梁腹板宽厚比限值的计算公式，适用于采用塑性内力重分布的连续组合梁负弯矩区，如果不考虑出现塑性铰后的内力重分布，宽厚比限制可以放宽。据此，将2001规范对梁宽厚比限值中的（Nb/Af＜0.37）和（Nb/Af≥0.37）两个限值条件取消。考虑到刚性楼盖分析时，得不出梁的轴力，但在进入弹塑性阶段时，上翼缘的负弯矩区楼板将退出工作，迫使钢梁翼缘承受一定的轴力，不考虑是不安全的。日本规范对梁腹板宽度高厚比限值的规定为60（65），括号内为缓和值，不考虑轴力影响；AISC341-05规定，当梁腹板轴压比为0.125时其宽厚比限值为75。据此对于工字型截面和箱型截面梁的腹板宽厚比限值对抗震等级为一、二、三、四级分别取上限值（60、65、70、75）（235/fay）1/2。此数值适用于Q235钢，采用其它钢牌号钢材时，应乘以（235/fay）1/2。《钢结构设计标准》GB50017-2017将构件截面的宽厚比分为S1-S5五个等级，其中S1、S2级就是用来限制抗震设计的民用建筑的宽厚比。

从受力角度，《钢结构设计标准》GB50017-2017第7.3.1节受压构件的局部稳定性中，对于轴心受压构件H形截面的翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比应小于等于（10+10.1λ）（235/fy）1/2，可见轴心受压构件的翼缘板的宽厚比主要受长细比控制，而λ为构件主轴的计算长度与构件截面对主轴的回转半径的比值。所以控制构件的长度，截面及钢材的屈服强度是控制轴心受压构件的翼缘板宽厚比的重要因素。对于实腹压弯构件要求不出现局部失稳者，其腹板高厚比和翼缘宽厚比b/t≤15（235/fy）1/2，钢材的屈服强度是影响翼缘板宽厚比的主要因素。但在工字形及H形截面的受压构件中，腹板计算高度h0与其厚度tw之比与轴心受压构件的翼缘板相同，也是受构件的长度，截面及钢材的屈服强度控制。而工字形及H形截面腹板的受弯构件要相对复杂得多，不仅与构件的长度，截面及钢材的屈服强度有关，还与腹板计算高度边缘的最大应力及腹板计算高度另一边缘的相应的应力有关，《钢结构设计标准》第3.5.1条列表及公式说明了相应关系，对于双轴对称截面y1=y2=h0/2。

箱型截面壁板在轴心受压作用下应满足b/t≤40（235/fy）1/2。受弯构件与工字形及H形截面控制因素相似。当工字形及H形和箱形压弯构件腹板高厚比超过《钢结构设计标准》3.5.1表时，可用纵向加筋肋加强，或以有效截面代替实际截面按8.4.2.2条计算杆件承载力。对于组合构件，在构造要求不允许改变宽（高）厚比时，可考虑在板件上受力较大的部位设置加筋肋，以改善构件的局部稳定性。

轧制的国标H型钢和工字型钢受机械设备的限制，截面比较小，一般情况下，都能满足构件宽（高）厚比的要求。所以在设计中，当荷载较小时，可以选用轧制的国标型钢。当钢板焊接的构件不满足宽（高）厚比的要求时，可以采用附加加筋肋的方式，增强板件的区间强度，以实现增强局部稳定性的目的。

结语：总之，在钢结构设计时，无论是地震作用下还是非地震作用下，控制钢结构构件的宽（高）厚比是非常重要的，虽然在某些条件下是可以放宽的，但是也不能完全忽视，只有很好的控制钢结构构件的宽（高）厚比，才能确保构件不发生局部失稳，才能防止构件因局部失稳而造成的结构整体破坏。千里之提，溃于蚁穴，故我们在钢结构设计时对钢结构构件的宽（高）厚比应引起高度重视。

参考文献：

[1]《钢结构设计标准》GB50017-2017中国建筑工业出版社

[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（2016年版）中国建筑工业出版社