《钢结构设计标准》解说专题(一)-截面等级的介绍

《钢结构设计标准》解说专题（1）

截面等级的介绍

《钢结构设计标准》（GB50017-2017）（简称"钢标〃）已发布一段

时间时间了，各种宣讲也不少了。笔者无意再面面俱到去把"钢标"条文捋一

遍，而是想，就"钢标”涉及的一些技术要点或者说比较费解的专题进行解

说，希望顺带能说清楚，它们的前世今生。

"钢标"在第3.5节，全新引入了截面板件宽厚比等级（截面等级）的概

念。关于截面等级的涵义、如何理解以及如何应用，存在不少的疑问，"钢

标"解读的第一个专题，就来说说截面等级。

一、截面等级究竟是个啥意思？

首先从表面上来看，钢构件由板件构成，而截面等级说的就是截面板件宽

厚比等级。

截面板件宽厚比，按"钢标"的条文说明——"截面板件宽厚比指截面板

件平直段的宽度和厚度之比，受弯或压弯构件腹板平直段的高度与腹板厚度之

比也可称为板件高厚比。”需要注意，以往规范中的“宽厚比"和"高厚比"

两个名词，现在实际上已经统称为"宽厚比”了，

截面板件宽厚比，是截面厚实程度的一个度量。从本质上来说，它直接决

定了钢构件的承载力、受弯及压弯构件的塑性转动变形能力（延性耗能能

力）。换句话说，截面等级就是截面承载力和塑性转动能力的表征。因此，从

承载力角度来说，截面等级是板件易发生屈曲程度和截面塑性发展程度的度

量；从塑性设计和抗震设计角度而言,是截面塑性转动和延性耗能能力的等

级。

所以〃钢标〃按照根据截面承载力和塑性转动能力，参考国际标准，将截

面分为五个等级。实际上这比国际上常规分为四个等级的做法多了一个等级，

是因为老的〃钢规"中受弯构件一直以来都考虑了塑性发展系数（即可部分发

展塑性的截面），因为这个历史原因，截面增加了一个等级S3。

各级截面对应的性能,实际上"钢标"按照截面受弯的力学性能已经给出

了很明确的描述：

1S1级：可达全截面塑性，保证塑性较具有塑性设计要求

的转动能力，且在转动过程中承载力不降低,称为一级塑性截

面，也可称为塑性转动截面；此时图1所示的曲线1可以表示其

弯矩-曲率关系，九一般要求达到塑性弯矩M除以弹性初始刚度

得到的曲率外的8倍〜15倍；

2S2级截面：可达全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性钱

转动能力有限，称为二级塑性截面；此时的弯矩-曲率关系见图

1所示的曲线2,%大约是6P的2倍〜3倍；

3S3级截面：翼缘全部屈服，腹板可发展不超过1/4截面

高度的塑性，称为弹塑性截面；作为梁时，其弯矩-曲率关系如

图1所示的曲线3；

4S4级截面：边缘纤维可达屈服强度，但由于局部屈曲而

不能发展塑性，称为弹性截面；作为梁时，其弯矩-曲率关系如

图1所示的曲线4；

5S5级截面：在边缘纤维达屈服应力前，腹板可能发生局

部屈曲，称为薄壁截面；作为梁时，其弯矩-曲率关系为图1所

示的曲线5。

弯矩

图1截面的分类及其转动能力

其中尤其需要注意的是，S4级截面，它的界限，是边缘纤维刚好达到屈

服的状态。S1~S3级截面，能发展截面塑性，而S5级截面，在边缘屈服未达

到时，板件就已发生局部屈曲，只能考虑有效截面进行计算。

二、"钢标〃中的截面等级咋确定的？

对应欧洲规范EC3的S1〜S4截面，〃钢标”将压弯和受弯构件的截面分

成S1〜S5五个截面等级，其中SLS2为塑性截面,S4为弹性截面，S3为中

国规范特有的考虑一定塑性发展的弹塑性截面，S5为薄柔截面。

"钢标〃的截面等级确定,主要依据板的弹性稳定理论,同时参考了国外

规范以及一些经验值。

按照S4级截面描述的边缘屈服同时板件刚好发生局部屈曲这个临界状

态，可按弹性稳定的公式进行板件宽厚比限值（屈服宽厚比）的推导。

比如，对工字形截面的翼缘，按三边简支一边自由的板件计算，临界应力

达到屈月酶力235MPa时板件宽厚比为18.6。按屈服宽厚比的0.5、0.6、

0.7、0.8和1.1倍适当取整，作为五个截面分级的宽厚比限值，并给了一个表

格来对比说明。

表2各种截面屈曲宽厚比和标准取值比较

宽厚比/屈服

1.00.50.60.70.8备注

宽厚比

翼三边支承一边自由18.469.2311.0712.9214.77屈曲系数K=0.43

缘/示准取值—9111315—

需要说明的是，0.5、0.6、0.7、0.8和1.1这个系数实际是带有经验性

的。S4级截面按0.8,是考虑了残余应力和几何缺陷等影响，S5级截面本来应

该是允许板件弹性屈曲而按照有效截面计算的，但考虑到自由边板件局部屈曲

后可能带来截面刚度中心的变化，从而改变构件的受力，也给了一个限值。

腹板的宽厚比（以往习惯叫高厚比），按梁腹板局部屈曲公式推导后的屈

服宽厚比以及乘以050.6、0.7、0.8倍的值，与〃钢标"实际取的限值对比

如图。

140

图2腹板分级的界限高厚比的对比

很明显，屈服宽厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，与"钢标〃实际最终确定

的限值并不完全一样。按照条文说明的解释，考虑到不同宽厚比等级的用途不

同,并没有严格地按照屈服高厚比的倍数：限值大的放宽了"艮值小的取得严

格了。

看一下下表"钢标"最终确定的截面等级及宽厚比限值，部分限值的确

定,实际上参考了欧洲标准EC3（见下表），"钢规〃塑性设计的腹板高厚比

限值（下文还会说）等。同时需要注意，压弯构件腹板的宽厚比限值参考了

EC3,与截面应力分布有关。

另外，注5给开了一个口子：S5级截面如果应力较小时，有可作为S4级

截面使用的可能。

a3.5.1压修和受弯构件的鼓面板件宽厚比等级及限值

裁面板件宽厚比

构件级锻级

等级SltKS2S3SISSft

翼缰UnIScu15cli20

H形

腹板

截面(33+1遍”由<38+134*>th《40+18a：s』(45+254“)〃250

注与

”出

构件

箱影《腹板》

（怅架3Qe35«4%4%一

松面间翼缘hk

tt>k>/t

园钢管往用比

端7皖90t1100»：—

裁面D/t

寞壕6〃%11“网15th20

工字影

腹板

«■65cb7%9%124c250

受弯li

构件噬板

（«）(放板)

25c32c37<42c—

假面IBlUttklikli

bo/t

注：1,为例号修正系数•其值为235与铜材牌号中屈及点数值的比值的平方fib

26为工字形.H形截面的■摩外伸宽度•，/（>、，■分别是翼绿厚度、质板用高和腹板厚度.对轧制型版面.夜板净高不包括寅

绿内板过渡处圆弧段：对于箱形截面，A，分别为量板间的距离和壁板厚度，D为圈管敲面外径，

3箱形被面壁及单向受哥的箱形做面柱，其膜板限值可根据H形微面腹板采用；

4fit板的真序比可通过设置加劲助减小，

5斗技国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第9.2.14条第2款的规定设计•且S5级裁面的板件宽厚比小于S4级

经,・修正的板件宽厚比时，可视作C类戴面,。为应力修正因子•0・〃7仁・

Table5.2(sheet1of3):Maximumwidth>to-thicknessratiosforcompression

parts

Internalcompressionparts

Axisof

bending

Axisof

bending

PartsubjecttoPartsubjectto

ClassPartsubjecttobendingandcompression

compression

Stress

distiibution

inparts

(compression

positive)

A”396E

whena>0,5:c/t<--——r

13a-l

ct£33£

…,,36e

whena<0.5:c/t<——

a

456e

whena>0.5:ct<

13a-l

4L5e

whena<0.5:ct<

Stress

distribution

inparts

(concession

positive)

42e

whenv>-1-c/t<

ct<124e0.67+0.33w

whenw<-1#):c/t<62双1-6J(-“)

三、以往规范中有截面等级吗？

虽然"钢标"第一次明确提出截面等级的概念并且在第3章就统一给出限

值，实际上以往的规范中，还是有一些截面等级的影子。

1《钢结构设计规范》（GB50017-2003）（"钢规"）

"钢规"关于截面等级（板件宽厚比）的规定分散在受弯、压弯构件的计

算及塑性设计各章节中。

比如，对于受弯构件的强度计算，规定如下：

4.1.1在主平面内受弯的实腹构件(考虑腹板屈曲后强度者参见本规范第

4.4.1条)，其抗弯强度应按下列规定计算：

(4.1.1)

兀W”

式中M、、My——同一截面处绕x轴和y轴的弯矩(对工字形截面：x轴为

强轴，y轴为弱轴)；

%nx、叫y——对X轴和N轴的净截面模量：

yx>yv----截面塑性发展系数；对工字形截面，yx=l.05,%=

1.20；对箱形截缸小=y=1.05；对其他截面，可按表5.2.1采用；.

/一一钢材的抗智强度设计值。

当梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比大于1372357/7-而不超过

157235777时，应取7X=L°。4为钢材牌号所指屈服点。

不考虑截面塑性发展系数，翼缘宽厚比限值15(Q235),考虑塑性发展

系数13(Q235),实际上就是定义了上述的两种截面等级：S4和S3。

梁的腹板局部稳定计算，实际上又给出了弹性截面的宽厚比限值。比如，

梁的受弯通用高厚比定义为

(4.3.3-2d)

当梁受压翼缘扭转未受到约束时:

(4.3.3-2e)

对没有缺陷的板，当加=1时临界应力等于屈服点。考虑残余应力和几何

缺陷影响，取入b=0,85为弹塑性修正的上起始点，相应的高厚比为：

五人=150,235〃；和%〃.=130,235/fy

这个150(Q235)和130(Q235)实际上就是弹性截面的腹板宽厚比限

值。

塑性设计时，要求如下:

9.1.4塑性设计截面板件的宽厚比应符合表9.1.4的规定。

表9.1.4板件宽厚比

截面形式㈱缘腹板

il

当若V0.37时*

空得空尸（727。吟）博

1^1M

当若＞。.37时，

un一.

/W-

♦-6把借名产5展

这是作为宽厚比限值的构造要求给出的，看着眼熟不？和〃钢标〃塑性截

面的某些宽厚比限值很接近不是？

2《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（"抗规"）

"抗规"第8章，作为抗震构造措施，对框架梁、柱的板件宽厚比有如下

要求:

8.3.2框架梁、柱板件宽厚比，应符合表&3.2的规定:

表8.3.2框架梁、柱板件宽厚比限值

板件名称一级二级三级四级

工字形截面翼缘外伸部分10111213

柱工字形截面腹板43454852

箱形截面壁板33363840

工字形截面和箱形截

1A11

99JLU11

面翼缘外伸部分

箱形截面翼缘在

30303236

梁两腹板之间部分

72-120Nb72-100Nb80-U0Nb85-120Nb

工字形截面和

/(Af)/(Af)/(Af)/(Af)

箱形截面腹板

C60465470<75

注：1表列数值适用于Q235钢，采用其他牌号钢材时，应乘以7235//.；o

2Nb/(Af)为梁轴压比。

虽然没有明确说截面等级，但实际上就是截面延性的要求或者等级，本质

上和〃钢标〃截面等级是一回事，表达塑性较的塑性转动耗能能力。

但是上述的要求是根据抗震等级来提的，强制性要求钢结构框架都得延性

耗能，同时要求延性构造，控制板件宽厚比——烈度大地震作用大就严一点，

和"钢标”的抗震设计概念不同(后续的专题会专门讨论)。

"抗规〃第9章，单层钢结构厂房和多层钢结构厂房中的单层及不超过

40m的,有如下的规定：

9.2.14厂房框架柱、梁的板件宽厚比，应符合下列要求：

1重屋盖厂房，板件宽厚比限值可按本规范第8.3.2条的

规定采用，7、8、9度的抗震等级可分别按四、三、二级采用。

2轻屋盖厂房，塑性耗能区板件宽厚比限值可根据其承载

力的高低按性能目标确定。塑性耗能区外的板件宽厚比限值，可

采用现行《钢结构设计规范》GB50017弹性设计阶段的板件宽

厚比限值。

注：腹板的宽厚比，可通过设置纵向加劲肋减小。

并在条文说明中给出了三类截面等级A、B、C:

当构件的强度和稳定的承载力均满足高承载力——2倍多遇

地震作用下的要求(YGSGE+y/SEWR/7Klp时，可采用现行

《钢结构设计规范》GB50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值，

即C类；当强度和稳定的承载力均满足中等承载力1.5倍多

遇地震作用下的要求(yGSGE+y^l.SSr^R/y^)时，可按表6

中B类采用；其他情况，则按表6中A类采用。

表6柱、梁构件的板件宽厚比限值

构件板件名称A类B类

翼缘1012

1形截面

腹板ho/tw4450

柱壁板、腹板间翼缘6〃3337

箱形截面

腹板A0/Zw4448

圆形截面外径壁厚比D/t5070

翼绿6〃911

I形截面

腹板儿〃W6572

梁

腹板间翼缘3036

箱形截面