《鋼結構設計標準》解說專題（2）—新術語解釋
《鋼結構設計標準》解說專題（2）—新術語解釋
牛必任 ，鋼結構設計 公眾號
來源：從鋼結構到裝配式鋼結構建築
《鋼結構設計標準》（「鋼標」）翻到第2頁就能看到術語一節。在原「鋼規」的基礎上，「鋼標」增加了不少的新術語。顯然新術語和「鋼標」的條文內容直接相關，本專題對其中關鍵的一些術語進行解釋和說明。
一、正則化長細比或正則化寬厚比 normalized slenderness ratio實際上這只是名稱的修改和延伸。
原「鋼規」中有「通用高厚比 normalized web slenderness」，從英文翻譯可以看到，實際上它代表的是腹板高厚比，主要是梁腹板局部穩定計算時用的。新術語名稱改為了穩定理論中常用的術語「正則化」，同時由於板件穩定不光是腹板，於是棄用「高厚比」，改用更通用的「寬厚比」一詞。「鋼標」對其定義沒變，正則化長細比或正則化寬厚比 normalized slenderness ratio——參數，其值等於鋼材受彎、受剪或受壓屈服強度除以相應的腹板抗彎、抗剪或局部承壓彈性屈曲應力之商的平方根。這是穩定理論中對於正則化類參數的標準解釋，簡單講就是鋼材強度與穩定應力的比值，這樣把穩定問題中不同強度的影響剝離，只剩下穩定因素自身。正則化長細比/寬厚比的值越大，越容易失穩，而理想狀態下的臨界值是1.0：如果大於1.0，表示構件或板件的彈性屈曲在達到屈服強度值之前；小於1.0，則可達到材料屈服強度，而不發生彈性屈曲，只能在彈塑性階段發生非彈性屈曲。如果用上一個專題講的截面板件寬厚比等級來說，那麼，S4級截面的限值狀態，對應的就是抗彎的正則化寬厚比為1.0。 二、直接分析設計法 direct analysis method of design即，直接考慮對結構穩定性和強度性能有顯著影響的初始幾何缺陷、殘餘應力、材料非線性、節點連接剛度等因素，以整個結構體系為對象進行二階非線性分析的設計方法。這是本次「鋼標」新引進的與國外規範接軌的計算方法。從穩定理論來說，道理很簡單，把影響結構穩定的主要因素在計算模型中考慮，直接進行結構的受力分析，應該就能把握結構的整體穩定。經典的鋼結構穩定教科書中都有這個方法。大家知道，老「鋼規」的柱子曲線也是考慮了這些缺陷以後得到的穩定係數，然後把結構的整體穩定化解為構件層面的穩定考慮，俗稱計算長度法。當然，原來的計算長度法只是對某些結構適用，或者說它有幾個適用的前提條件，這也就是為啥還要直接分析設計法的原因。關於「鋼標」直接分析設計法，目前從規範條文層面存在一點爭議，就是關於長細比的限值問題。「鋼規」、「抗規」等由於種種原因，規定了一些構件的長細比值。而計算長細比又是基於傳統的計算長度法根據計算長度係數得到的。目前「鋼標」雖然給了直接計算分析法，但計算長度限值的規定依舊存在，此時的計算長度限值如何考慮，成了問題。個人意見是，實際上長細比本身就是構造要求，是穩定計算不成熟條件下的一個補充而已。如果按直接分析設計法，那就乾脆放開那些長細比構造要求，最多，僅僅對幾何長細比（按構件自然長度的長細比）作一些限值規定，而且可以放得很寬。另外，設計單位目前在操作層面還存在一點問題，也就是，如何在計算程序中實現直接分析（貌似現在好多結構工程師=計算軟體操作員+CAD描圖員，不能一鍵搞定的免談）。但這個似乎只是暫時的問題，不算大問題，我想，萬能的PK等等，會很快解決這個問題的吧。是不是真的算得准，嘿嘿，你問我？我哪知道？！三、支撐框架無支撐框架、支撐結構、框架-支撐結構，強支撐框架，支撐系統，這是相關的幾個術語，有必要放在一起扯扯。前面已出的規範，包括「抗規」等等，更嚴重的是在工程技術人員的理解中，已經把所謂的「框架」概念給模糊化了——「框架」，可以是純框架、支撐框架，更可以是框架-支撐。這種模糊化導致了抗規等規範條文在應用上的模糊。比如，純框架的抗震構造要求，和支撐結構、框架-支撐是有很大區別的，因為耗能模式完全不同。這個具體在第五個術語「塑性耗能區」中具體說。先說一下各自的定義：無支撐框架 unbraced frame——利用節點和構件的抗彎能力抵抗荷載的結構。其實就是純框架，受力特徵是靠構件節點的抗彎剛度來形成抗側力結構體系，典型如門式剛架。支撐結構 bracing structure——在樑柱構件所在的平面內，沿斜向設置支撐構件，以支撐軸向剛度抵抗側向荷載的結構。實際這就是純支撐結構，支撐拿掉了，結構抗側力體系就沒了，類似於腳手架，沒東西扶著它，就倒了。框架-支撐結構 frame- bracing structure——由框架及支撐共同組成抗側力體系的結構。在我們的抗震規範中，因為要求雙重抗側力體系，如果支撐壞了，框架部分還能承擔一些側向力。因此，上述的純支撐結構由於缺少框架部分的抗側剛度，是被排斥使用的（實際工程中往往給禁止使用）。但工程實踐中又存在不少這樣的結構形式，尤其是構築物，比如支架。當然，國外規範中存在這類結構，比如美國的建築鋼結構抗震規範AISC 341，嚴格區分單一抗側力體系和雙重抗側力體系。而上述的支撐結構就是其中的單一抗側力體系。我們「抗規」中的框架-支撐，是雙重抗側力體系，等於無支撐框架和支撐結構的組合。強支撐框架 frame braced with strong bracing system——在框架-支撐中，支撐結構（支撐桁架、剪力牆、筒體等）的抗側移剛度較大，可將該框架視為無側移的框架。
強支撐框架，大家都知道，就是強的支撐框架唄。這不廢話嗎？強支撐框架，是跟弱支撐框架相對應的。從本質上說，強與弱，對應的是不同的失穩模式，而不是真的側移大小，也就是穩定理論中講的無側移和有側移框架。順便說一句，98版「高鋼規」曾經規定層間位移角小於1/1000就可按無側移計算，從穩定理論來說，似乎是不大合適的。
「鋼標」本來是有弱支撐的，徵求意見稿大家都能看到。考慮到不推薦採用弱支撐框架，最終取消了弱支撐框架柱穩定係數計算公式。另外還有個事實，一旦設置了支撐，常見的一般框架-支撐結構，都是強支撐。支撐系統 bracing system——由支撐及傳遞其內力的梁（包括基礎梁）、柱組成的抗側力系統。這是一個新的概念，強調支撐不是倆斜桿就能成結構體系，而是必須由一個完整的體系才能形成支撐系統，才能起抗側作用。結構設計時，必須關注整個系統。缺了任何一環，支撐體系就不成立。 四、畸變屈曲畸變屈曲 distorsional buckling——截面形狀發生變化、且板件與板件的交線至少有一條會產生位移的屈曲形式。看一下圖就明白了。
對於框架結構的梁，上翼緣鋪板，正彎矩區沒有穩定問題，但負彎矩區的下翼緣有穩定問題，就是上圖的畸變屈曲。以往我們的規範中都沒考慮，而國外規範已有這個規定。畸變屈曲相關的研究內容可以參考童根樹教授的專著《鋼結構的平面外穩定》。
「鋼標」6.2.7條就是針對框架主梁負彎矩區畸變屈曲新增加的規定。將下翼緣作為壓桿，腹板作為對下翼緣提供側向彈性支撐的部件，上翼緣看成固定，給出了一個簡單的畸變屈曲的臨界應力公式，同時給出了需要考慮畸變屈曲的情況以及不滿足時的做法。 「鋼標」抗震設計第17章的相應章節，也有關於框架梁梁端負彎矩區畸變屈曲的相關要求。五、塑性耗能區、彈性區先看看定義：塑性耗能區 plastic energy dissipative zone——在強烈地震作用下，結構構件首先進入塑性變形並消耗能量的區域。彈性區 elastic region——在強烈地震作用下，結構構件仍處於彈性工作狀態的區域。用大白話說，塑性耗能區就是大的地震下面進入塑性並且耗散地震輸入能量的構件部分。那麼，彈性區就是，咋震，都不進入塑性的構件部分。因此，按這麼說，其實抗震結構分兩部分：塑性耗能區vs非塑性耗能區，非塑性耗能區也可以設計成彈性區，當然也可以存在一些可能的或者說潛在的塑性區。不同區域，抗震的做法和要求也不同。抗震設計思路是進行塑性機構控制，可以說，整個「鋼標」第17章的抗震，基本都是圍繞塑性耗能區寫的，從性能等級目標、延性等級、抗震計算到抗震構造。非塑性耗能區的構件和節點設計，是根據既定的結構體系和塑性耗能區性能，再確定相應如何進行設計。因此，有必要來具體說說整個鋼結構體系中，哪兒是塑性耗能區。當然也需要注意，塑性耗能區是和抗震設計的意圖是相關的，說白了，就是還得結合你設計時候，想讓哪兒塑性耗能。
對於純框架結構，大家最熟悉，都知道就是啥地方能形成塑性鉸，那就是塑性耗能區，一般就是樑柱節點附近以及柱腳。但是對於抗震設計來說，希望保證「強柱弱梁」和防止形成倒塌機構，那麼一般是把除單層和頂層框架外的框架梁端設計為塑性耗能區。支撐結構，上面說了，就是支撐在抵抗側向力。那麼，塑性耗能區其實就是那個支撐了。從抗震性能而言，希望是把成對設置的支撐設計為塑性耗能區。框架-中心支撐結構，按上述的雙重抗側力體系設計目標，塑性耗能區那就是成對設置的支撐和框架的梁端。框架-偏心支撐結構，對於支撐框架的部分，肯定是剪切屈服的耗能梁段。而框架的梁端塑性鉸區，肯定也是塑性耗能區。其餘比如設置了阻尼器的框架，那毫無疑問，首先屈服的阻尼器就是塑性耗能區。 六、焊接截面 welded section知道這個術語在老「鋼規」叫啥嗎？——叫「組合構件 built-up member」。啥？一定會有好多人覺得很奇怪：「組合構件」，不是那個啥鋼和混凝土組合的東東？不信？翻開老「鋼規」，組合構件 built-up member——由一塊以上的鋼板（或型鋼）相互連接組成的構件，如工字形截面或箱形截面組合梁或柱。本來沒想把這個列出來，但是想想工作中真就有好多人問我「鋼規」的組合構件到底咋回事，就說說吧。
這應該是歷史上延續過來的，最早鋼結構分型鋼和鋼板、型鋼組合焊接的構件，而當初鋼-混凝土組合結構也少，於是命名叫「組合構件」，一直在「鋼規」中延續。「鋼標」修編可能發現容易歧義，改了。（PS，可能解釋不夠深入到位，歡迎回復，討論，掰扯！）相關文章鏈接：
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