钢结构设计中关于宽厚比问题的经典总结

钢结构构件的截面通常采用组合构件，涉及到横截面受力性能与板件的宽厚比，高厚比的关系，以及杆件整体受力性能与长细比的关系，在《钢结构设计标准》GB 50017-2017，《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010，《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015，《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015四本规范规程中有不同侧重的要求。下面具体对比谈一谈。

首先，常见的钢结构建筑物、构筑物，从主要建筑功能、体型、荷载、作用区分有：

1轻型钢结构单层厂房（门式刚架轻型钢结构厂房和其他形式的轻型钢结构厂房）

2单层钢结构厂房（单层重屋盖和单层轻屋盖）

3单层钢结构厂房（多层但总高度小于40m，按单层钢结构厂房设计）

4多层钢结构厂房（多层轻屋盖但总高度小于40m，按单层钢结构厂房设计，屋面按门式刚架设计）

5多层钢结构厂房（多层但总高度大于40m，按多高层钢结构房屋设计）

6多层钢结构房屋

7高层民用建筑钢结构

四本规范主要设计原则如下：

1、《钢结构设计标准》GB 50017-2017：

标准不涉及体系抗震的一些构件设计，执行板件S4级，即俗称的普通钢结构的构件宽厚比最低设计标准，属于截面边缘纤维弹性设计。涉及塑性铰开展的塑性调幅设计及抗震性能化设计，是标准截面分类等级的主要使用场合。但目前性能设计牵涉到构件塑性耗能区承载性能等级的描述笼统，以及性能参考等级的范围跨度较大，准确操作工作量较大，不确定性较大，因此性能设计的方法不太方便使用。对于一般规模体量一般重要性的钢结构建筑，按照抗震规范的相关章节，针对前述不同结构体系的具体要求，设计显得依据清晰，工作效率高。

2、《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010：

8．1．3钢结构房屋应根据设防分类、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。丙类建筑的抗震等级应按表8．1．3确定。

2一般情况，构件的抗震等级应与结构相同；当某个部位各构件的承载力均满足2倍地震作用组合下的内力要求时，7～9度的构件抗震等级应允许按降低一度确定。

表8.3.1抗震等级最低是四级，比四级低的用斜线注明，那么斜线的含义可以解释为：无抗震等级，对应PKPM的抗震等级定义，为五级非抗震。即执行钢标S4截面，截面翼缘边缘纤维弹性。那么对于附注2的运用，通过两倍地震力计算满足，从而降低抗震等级，以适应钢结构容易实现高承载力低延性的特性，从而降低因构造措施造成的用钢量。

钢标截面宽厚比等级S3，属于弹塑性截面的低塑性发展截面，对比抗规的抗震等级确定的梁翼缘截面宽厚比，发现钢标的S3，S4，S5尚未达到抗震等级4级的严格程度，只有S1、S2截面达到抗震等级4级以上的严格等级。S1、S2是全截面塑性。从抗震三水准角度讲，抗震规范的梁截面宽厚比等级限值，实际上是充分发挥截面塑性耗能及全截面塑性承载力，籍此来提高大震下结构的抗震性能。

9.2.1单层的轻型钢结构厂房的抗震设计应符合专门的规定---门式刚架规范的要求。

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》GB 50017弹性设计阶段的板件宽厚比限值。

条文说明：9．2．14板件的宽厚比，是保证厂房框架延性的关键指标，也是影响单位面积耗钢量的关键指标。本次修订，对重屋盖和轻屋盖予以区别对待。重屋盖参照多层钢结构低于50m的抗震等级采用，柱的宽厚比要求比2001规范有所放松。

对于采用压型钢板轻型屋盖的单层钢结构厂房，对于设防烈度8度(0．20g)及以下的情况，即使按设防烈度的地震动参数进行弹性计算，也经常出现由非地震组合控制厂房框架受力的情况。因此，根据实际工程的计算分析，发现如果采用性能化设计的方法，可以分别按“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”的抗震设计思路来确定板件宽厚比。即通过厂房框架承受的地震内力与其具有的弹性抗力进行比较来选择板件宽厚比：

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(γGSGE＋γEh2SE≤R/γRE)时，可采用现行《钢结构设计规范》GB 50017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(γGSGE＋γEh1．5SE≤R/γRE)时，可按表6中B类采用；其他情况，则按表6中A类采用。

其他情况即是按多遇地震计算并满足承载力强度要求。不难发现A类相当于钢框架抗震等级为一级、二级的水平，相对单层钢结构厂房的重要性来讲，构造措施相当严格。

3、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》GB 51022-2015：

2 构件中受压板件的宽厚比，不应大于现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018规定的宽厚比限值；主刚架构件受压板件中，工字形截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比，不应大于15；工字形截面梁、柱构件腹板的计算高度hw与其厚度tw之比，不应大于250。当受压板件的局部稳定临界应力低于钢材屈服强度时，应按实际应力验算板件的稳定性，或采用有效宽度计算构件的有效截面，并验算构件的强度和稳定。

3．4．3 当地震作用组合的效应控制结构设计时，门式刚架轻型房屋钢结构的抗震构造措施应符合下列规定：

1 工字形截面构件受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比，不应大于；工字形截面梁、柱构件腹板的计算高度hw与其厚度tw之比，不应大于160；

4、《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ 99-2015

总则说明此规程针对高层建筑，在基调上确定本规程的一切要求严于前述三本规范。

1．0．4 抗震设计的高层民用建筑钢结构，当其房屋高度、规则性、结构类型等超过本规程的规定或抗震设防标准等有特殊要求时，可采用结构抗震性能化设计方法进行补充分析和论证。

简单结论：前述规范确定建筑等级及设计方法主要还是依照抗震敏感性，而抗震敏感性还是和结构自重、建筑形态挂钩，因此按照规范松与严的构造措施不难理解具体情况具体分析的设计思路是正确的。