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《钢结构设计规范》讲稿1
《钢结构设计规范》GB50017-2003修订简介及应用
自1988年国家标准《钢结构设计规范》GBJ17-88发布之后，我国建筑钢结构经历了历史上最快速发展时期，88规范的许多条文急需进一步完善和补充。
在规范修订和管理单位北京钢铁设计研究总院的主持下，《钢结构设计规范》1997年开始进行全面修订。
规范修订组总结了原GBJ17-88规范存在的问题与不足，针对近年来建筑钢结构快速发展的市场背景，吸收了国内外最新研究成果，数易其稿，完成了新的《钢结构设计规范》GB50017-2003。
新规范2003年12月1日正式实施，88规范同时作废。
新规范在基本设计规定、材料、构件及连接的计算及构造上均作了较大的改进，其中第1.0.5、3.1.2～3.1.5、3.2.1、3.4.1、3.4.2、8.1.4、8.3.6、8.9.5、9.1.3共14条为强制性条文，主要修订的内容包括以下几个方面：
第一部分：
强制性条文部分的修改
由88规范的12条增加、修改后调整为14条。
1、新规范对88规范1.0.5强制性条文进行补充，更完整。
除了要求在设计图纸中除注明钢材牌号，连接材料的型号（或钢号）和对钢材所要求的力学性能、化学成份的附加保证项目和焊缝质量级别要求外，新增加了对建筑结构的设计使用年限，焊缝形式、端面刨平顶紧部位及对施工的要求，焊缝质量等级应根据构件的重要性和受力情况按本规范第7.1.1条的规定选用。
2、将88规范第3.1.2～3.1.4条列入强制性条文，将承重结构承载力极限状态和正常使用极限状态设计、结构安全等级以及荷载作用，荷载组合列为强制性条文。
3、将88规范第2.0.3条列入03规范3.3.3条，作为强制性条文必须严格遵守。
对冷弯试验的合格保证，增加了焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有合格保证的条款。
4、第3.4.1条钢材强度设计值为fy/rR。
rR为抗力分项系数，对Q235钢，rR=1.087；对Q345、Q390和Q420钢，rR=1.11。
这样对Q345钢来说比88规范的16Mn（rR=1.087）强度设计值有所降低。
（见附表1对比）
表1新旧规范钢材（Q345强度设计值比较）
Table1Comparisonofthedesignvaluesofstrengthbetweenthenewandtheoldedtionofcode
厚度或直径
mm
抗拉、抗压和抗弯
抗剪
端面承压（创平顶紧）
f/N.mm-2
16MnQ345
f/N.mm-2
16MnQ345
f/N.mm-2
16MnQ345
≤16
315
310
185
180
445
400
>17～25
300
295
175
170
425
400
26～36（35）
290
295
170
170
410
400
>35～50
265
155
400
>50～100
250
145
400
注：
括号内数据用于新规范。
88规范推荐建筑钢结构可采用3号钢、16Mn、15MnV钢，03规范对原钢材牌号作了修订，如Q235相当于3号钢，Q345相当于16Mn，Q390相当于15MnV，并增加了新钢材Q420。
增加了采用Z向钢及耐候钢的原则规定，03规范将钢材厚度增加到100mm。
在焊缝强度设计值中，要求厚度小于8mm钢材的对接焊缝，不应采用超声波探伤确定焊缝质量等级，应采用X射线探伤，否则应按三级焊缝设计。
5、第3.4.2条，无垫板的单面施焊对接焊缝强度设计值乘以系数0.85，是新增强制性条文。
一般对接焊缝都要求两面施焊。
若受条件限制只能单面施焊，则应将坡口留足间隙并加垫板才能保证焊满焊件的全厚度。
当单面施焊不加垫板时，焊缝将不能保证焊满，其强度设计值应乘以折减系数。
6、增加了“对直接承受动力荷载的普通螺栓受拉连接应采用双螺帽或其他能防止螺帽松动的有效措施”，如设弹簧垫圈，或将螺帽式螺杆焊死等方法，列入第8.3.6条，是新增加的强制性条文。
7、第8.9.3条规定钢柱埋入土中部份的混凝土保护层要≥50mm或柱脚底应高出地面100mm，主要是针对在埋入土中部分的混凝土未伸出地面或柱脚底面与地面的标高相同时，该部位腐蚀严重而确定的。
8、增加了第8.9.5条规定“结构表面长期受热辐射达150℃以上时应采取防护措施，熔化金属的喷溅在结构表面，将影响结构的正常使用，也应予保护”，主要适用于炼钢、高炉等热电间结构的保护。
9、将88规范第8.4.14条，“柱脚锚栓不得用以承受脚底部的水平反力，此水平反力应由底板与混凝土基础间的摩擦力或设置抗剪键承受”强制性条文取消，改为一般条文。
03规范的8.4.13条，提出柱脚锚栓不宜用以承受水平反力，将不应改为不宜，摩擦系数按国内外普遍采用的系数0.4。
10、将88规范、第8.4.8条规定“跨度大于36m的两端铰支桁架，应考虑在竖向荷载作用下，下弦弹性伸长所产生水平推力对支承结构构件的影响。
”强制性条文取消，作为规范条文要求执行。
第二部分新规范修订内容
1、基本设计规定
（1）新规范增加了荷载和荷载效应计算（第3.2节），部分指标较《钢结构设计规范》（GBJ17-88）作了调整。
对不上人屋面的均布活荷载，较早的荷载规范取0.3kN/m2，后发现相对重屋面（如钢筋混凝土屋面）取值偏低，在《工业与民用建筑结构荷载规范》（TJ9-74）中遂改为0.5kN/m2。
采用概率极限状设计法用分项系数设计表达式以后，发现对以恒载为主的结构，可靠度有所降低，故在88规范中，将不上人重屋面的均布活荷载标准值提高到0.7kN/m2，而轻屋面仍取0.3kN/m2。
由于修订后的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）新增加了以永久荷载效应控制的不利组合式，新修订的《建筑结构荷载规范》（GB50009-2002），统一将屋面的均布活荷载规定为0.5kN/m2，不再区分重屋面或轻屋面。
但《建筑结构荷载规范》（GB50009-2002）同时又注明“对不同结构可按有关设计规范的规定，将标准值作0.2kN/m2的增减”，因而《钢结构荷载规范》（GB50017-2003）参考美国荷载规范（AISC7-93）的规定，对支承轻屋面的构件或结构，当受荷水平投影面积超过60m2时，屋面均布活荷载标准值取为0.3kN/m2。
这样，对有檩结构体系中的檩条设计，一般受荷水平投影面积不超过60m2时，应取屋面均布活荷载标准值为0.5kN/m2。
而对主要的承重结构（框架、排架、网架、桁架等），则应取屋面均布活荷载标准值为0.3kN/m2。
（2）对重级工作制吊车梁，新规范将原规范规定的横向水平荷载乘以增大系数以考虑吊车的摇摆力改为按下式计算：
Hk=αPkmax
式中Pkmax为吊车轮压标准值：
系数α=0.1（一般软钩），0.15（抓斗、磁盘）和0.2（硬钩）。
另外，根据《起重机设计规范》（GB/T3811），按吊车利用等级（即循环次数，分为U0-U9等10级）和载荷状态（载荷谱系数Kp有轻、中、重、特重等4级）综合划分吊车工作级别为A1～A8级。
规范所指轻级工作制即A1～A3级；中级为A4～A5级；重级为A6～A8级（其中A8为特重级）。
（3）对
∑N.△U
>0.1的框架结构（一般指无支撑纯框架）规定宜
∑H.h
采用二阶弹性分析。
此处∑N为所计算楼层各柱轴压力之和；∑H为所计算楼层及以上各层水平力之和；h为所计算楼层的高度；△u为所计算楼层按一阶分析的层间侧移。
同时，规范提出了采用二阶弹性分析时，杆端弯矩的近似计算方法。
MⅡ=MⅠb+αziMIS
式中：
αzi——侧移弯矩增大系数
MⅠb——框架无侧移按一阶弹性分析求得各杆件端弯矩
MIS——框架各节点侧移时按一阶弹性分析求得得的各杆件端弯矩
2、材料
（1）按照新的国家标准，对原钢材牌号作了修订，改为Q235、Q345、Q390，增加了Q420。
增加Z向钢和耐候钢。
厚板容易出现层状撕裂，这对沿厚度方向受拉的接头来说是很不利的，因而需要采用厚度方向性能钢材。
（2）钢材厚度增加到100mm（原规范3号钢50mm、16Mn和15MnV钢36mm），这是为了与轴压d曲线相呼应，因为d曲线用于t≥40mm的构件。
（3）普通螺栓的A、B级，其材料不是3号钢，而是8.8级，现改正，取抗拉强度设计值ftb=400N/mm2，fvb=320N/mm2。
A、B级螺栓都是以前的“精制螺栓”，质量标准要求相同。
只是A级螺栓用于d≤24mm和L（螺栓公称长度）≤10d或≤150。
3、构件的计算
（1）在梁局部承压强度计算中，将集中力在腹板边缘的分布长度改为与梁与柱刚性连接节点一致，即：
L2=a+5hy+2hR（4.1.3）
式中，a为集中力支承长度；hy为梁外表面至腹板边缘距离；hR为轨道的高度，梁顶无轨道时hR=0。
（2）组合梁腹板局部稳定计算有较大变动，主要有：
（详P195）
1对原来按无限弹性计算的腹板各项临界应力作了弹塑性修正。
2原各种应力共同作用下的临界条件公式来源于完全弹性条件，新的公式更适合于弹塑性修正后的临界应力。
3无局部压应力且承受静力荷载的焊接工字形截面梁，规定按新增加的4.4节利用屈曲后强度设计。
（3）轴心压杆的整体稳定计算中：
1原规范将t≥40mm的轴压构件稳定归入c曲线，不确切。
现作了专门规定，增加d类截面的值（d曲线）。
实上t≥40mm的轴压构件，视截面形式和屈曲方向，有b、c、d三类。
2单轴对称截面绕对称轴的失稳是弯扭失稳。
原规范视为弯曲失稳归入b曲线，或降低为c曲线。
新修订的规范将弯扭屈曲按弹性方法用换算长细比换算为弯曲屈曲：
λyz=
1
（λ2y+λ2z）+（λ2y+λ2z）2-4（1-e20/i20）λ2yλ2z
1/2
2
式中λz——扭曲屈曲换算长细比；
λ2z=
i20A
It/25.7+I2w/l2w
i0——对剪心的极回转半径；
e0——剪心至形心距离。
为简化计算，对单角钢和双角钢T形截面建议了λyz的近似计算式。
（4）减小受压构件自由长度的支撑力原取用压杆的偶然剪力，现改为：
1单根柱
柱高中点有一道支撑Fb1=N/60
支撑不在柱中央（距柱端α1）Fb1=
N
240α（1-α）
有m道支撑Fbm=
N
30（m+1）
2支撑多根柱时
支撑力Fbn=
∑Ni
（0.6+
0.4
）
60
n
各柱压力相同时Fbn=
N
（0.6n+0.4）
60
式中，n为被撑柱根数
（5）确定框架柱在框架平面内的计算长度时原规范分为有侧移失稳和无侧移失稳两类，现改为两类三种，即无支撑纯框架和有支撑框架，其中有支撑框架又分为强支撑框架和弱支撑框架，其判定条件是：
当支撑结构（支撑桁架、剪力墙等）的侧移刚度满足Sb≥3（1.2ΣNbi-ΣNoi）时为强支撑框架（式中sb为产生单位侧倾角的水平力；ΣNbi，ΣNoi为层间所有柱用无侧移框架柱和有侧移框架柱计算长度算得的轴压杆稳定承载力之和），否则，为弱支撑框架，柱的稳定系数应按下式进行修正：
ψ=ψ0+（ψ1-ψ0）
Sb
3（1.2ΣNbi-ΣNoi）
式中ψ1、ψ0——按无侧移和有侧移框架柱算得的稳定系数。
（6）第5.3.6条新增了有关摇摆柱、梁与柱半刚性连接以及考虑同层或其它层柱承载力有富裕时对框架柱计算长度取值应进行修正的原则性条文。
（7）轴心受压T形截面腹板原规定宽厚比≤（10+0.1λ）235/fy，对T型钢来说太严，经试验研究，对T型钢腹板的宽厚比限制改为：
1
第5.4.4条轴心受压构件和弯矩使腹板自由边受拉的压弯构件
热轧T型钢，（15+0.2λ）235/fy
焊接T型钢，（13+0.17λ）235/fy
2弯矩使腹板自由边受压的压弯构件，由于未作新的研究工作，仍保留原规范的规定。
4、连接计算
（1）新增了有关焊缝质量等级的选用条文。
（2）GBJ17-88规范规定角焊缝和不加引弧板的对接焊缝，每条焊缝的计算长度均采用实际长度减去10mm。
此种不分焊缝大小取为定值的办法不合理，现改为：
对接焊缝减去2t，角焊缝减去2hf。
（3）斜角角焊缝的计算，新规范作了下列修改：
1规定锐角角焊缝两焊脚边夹角α≥60°,而钝角角焊缝α≥135°。
这表示焊脚边夹角小于60°或大于135°的焊缝不推荐用作受力焊缝。
2原规范规定的锐角角焊缝计算厚度取he=0.7hf，比实际的喉部尺寸小，这是考虑到当α角较小时，焊缝根部不易焊满以及在熔合线的强度较低这两个因素。
现规定α≥60°就没有这两个问题。
因此，不论锐角和钝角的计算厚度均统一取为喉部尺寸he=hfcosα/2。
但当根部间隙
（b、b1或b2）>1.5mm，则应考虑间隙影响，取he=h1-
b（或b1、b2）
cosa/2。
sina
同时，新规范规定任何情况根部间隙（b、b1或b2）不得大于5mm。
（4）对摩擦型连接高强度螺栓的抗滑移系数μ值作了一些修正，原规范喷砂（丸）和喷砂后生赤锈时Q345、Q390和Q420钢的μ=0.55，实际上达不到此要求。
降为0.50。
（5）高强度螺栓的预拉力P，原规范取为
P=
0.9×0.9
Aefy
1.2
式中：
fy——螺栓屈服强度
Ae——螺纹处有效面积
式中考虑螺栓材质的不定性系数0.9；施工时的超张拉0.9；拧紧螺帽时螺杆所受扭转剪应力影响系数1.2。
由此得出的8.8级螺栓的P，使抗剪承载力有时（当μ<0.4时）比同直径的粗制螺栓还低，不合理，现改为
P=
0.9×0.9×0.9
Aefu
1.2
（6）将同时受剪和拉力的摩擦型连接高强度螺栓的计算改用相关公
Nv
+
Nt
≤1表达，实质与原规范未变，由Nvb=0.9nfμp和Ntb=0.8P代
Nvb
Ntb
入后即得原规范计算式Nv=0.9nfμp（P-1.25Nt）。
式中：
Nv、Nt——螺栓承受的剪力、拉力
Nvb、Ntb——一个螺栓的受剪、受拉承载力设计值
（7）取消原规范“承压型高强度螺栓连接的抗剪承载力不得大于按摩擦型连接计算的1.3倍”的规定。
原规范的此规定是鉴于当时使用经验不足，为保证承压型在正常情况下（即荷载标准值作用下）不滑移而制定的。
（8）新增加了第7.4节梁与柱的刚性连接一节，从强度和稳定两方面规定了不设置横向加劲肋时，对柱腹板和柱翼缘厚度的要求。
1在梁的受压翼缘处，柱腹板受有梁翼缘经过柱翼缘传给柱腹板的压力，柱腹板应满足强度要求和局部稳定要求。
柱腹板的强度应与梁受压翼缘等强，即
betwfc≥Afcfb
式中be——柱腹板计算宽度边缘处压应力的假定分布长度。
参照梁的局部压应力计算式，取be=a+5hy。
a为集中压力在柱外边缘分布长度，等于梁翼缘板厚度；hy为自柱外边缘至柱腹板计算宽度边缘的距离；
tw——柱腹板厚度；
fc——柱腹板钢材抗拉、抗压强度设计值；
Afc——梁受压翼缘的截面积；
fb——梁翼缘钢材抗拉、抗压强度设计值。
为保证柱腹板在梁受压翼缘压力作用下的局部稳定，应控制柱腹板的宽厚比，规范参考国外规定，偏安全地规定柱腹板的宽厚比应满足下式规定：
he
≤30
235
tw
fyc
式中he——柱腹板的计算宽度；
fyc——柱腹板钢材屈服点。
2在梁的受拉翼缘处，计算柱的翼缘和腹板仍用等强度准则，柱翼缘板所受拉力为：
T=Aftfb
式中Aft——梁受拉翼缘截面积；
fb——梁钢材抗拉强度设计值。
此拉力T由柱翼缘板三个部分共同承担。
中间部分（分布长度为m）直接传给柱腹板的力为fctbm（tb为梁翼缘厚度），余下部分由两侧各ABCD的板件承担。
根据试验研究，拉力在柱翼缘板的影响长度P≈12tc，并可将此受力部分视为三边固定一边自由的板件，而在固定边将因受弯形成塑性铰。
因此可用屈服线理论导出两侧翼缘板的承载力设计值为
P=c1fctc2
式中c1为系数，与几何尺寸p、h、q等有关。
对实际工程中常用的H型钢或宽翼缘工字钢梁和柱，c1=3.5～5.0，可偏安全地取c1=3.5。
这样柱翼缘板受拉时的总承载力为2×3.5fctc2+fctbm。
考虑到柱翼缘板中间和两侧部分刚度不同，难以充分发挥共同工作，可乘以0.8的折减系数后再与拉力T相平衡，即
0.8（2×3.5fctc2+fctb.m）≥Aftfb
即tc≥
Aft.fb
（1.25-
fctb.m
）
7fc
Aft.fb
在上式中，括号内第二项，
fctb.m
=
fctb.m
=
fc.m
按统计分析，此
Aft.fb
bctbfb
Fbbb
项的最小值为0.15，以此代入，即得
即tc≥0.4
Aft.fb
fc
当梁柱刚性连接处不满足上述公式的要求时，应设置柱腹板的横向加劲肋。
（9）新增加了连接节点处板件的强度计算方法——撕裂面法和有效宽度计算法，同时，对受压杆件相连的节点板域在压力作用下的稳定性保证条件及计算方法均给出了相应条文。
为便于设计，还给出了桁架节点板厚度选用表。
（10）新增加了平板支座、球形支座和橡胶支座的条文。
5、构造要求
（1）参照ISO国际标准、补充规定当焊件厚度t>20mm（ISO为t≥16mm，前苏联为25mm，建议取t>20mm）的角焊缝应采用收缩时不易引起层状撕裂的构造。
（2）两焊脚边夹角（>135°（原规范为120°）时，焊缝表面较难成型，受力状况不良；而（<60°的焊缝施焊条件差，根部将留有空隙和焊渣，故规定这种情况只能用于不受力的构造焊缝。
但钢管结构有其特殊性，不在此限。
（3）侧面角焊缝的最大长度，原来对动力荷载作用下控制较严（≤40hf），经试验研究证明，对静载或动载可以不加区别，统一取某个规定值。
（4）我国习惯柱脚锚栓不考虑承受剪力，特别是有靴梁的锚栓更不能承受剪力。
但有资料建议在抗震设计中可适当考虑外露式钢柱脚（不管有无靴梁）受压侧锚栓的抗剪作用。
为此，将原规范的“不得”改为“不宜”考虑。
至于摩擦系数的取值，现在国内外已普遍采用0.4，故列入。
（5）新增“插入式柱脚”的有关构造规定。
其中钢柱插入杯口的最小深度的规定数值大于预制混凝土柱插入杯口的深度。
（6）新增“埋入式柱脚”和“外包式柱脚”的有关构造规定。
（7）新增加对跨度L≥60m的大跨度屋盖结构的构造要求。
（8）新增加了提高寒冷地区结构抗脆断能力的要求，主要给出定性方面即概念设计中的一些共同规律供设计参照。
（9）增加了对除锈等级、防腐蚀设计和防火设计的条文。
除锈等级与涂料品种有关，详见《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB50046）。
6、钢管结构
原规范只有直接焊接的平面桁架式圆管结构的条文。
新规范除在圆管结构中增加了由两个平面组成的空间节点的设计方法外，还增加了直接焊接的方管结构（主管为方管，支管为方管或圆管）的设计方法。
7、钢与混凝土组合梁
钢与混凝土组合梁一节过去有很多条文比较欠缺，实际上很难用于指导设计，新规范增加了下列主要内容：
（1）增加了连续组合梁负弯矩处的计算方法。
（2）增加了楼板为压型钢组合板时，组合梁的设计方法。
（3）增加了部分抗剪连接组合梁抗弯强度的计算方法。
（4）增加了组合梁的挠度计算方法，主要是给出了考虑滑移效应的折减刚度的计算方法。
（5）
抗剪连接件的计算，原规范规定圆柱头焊钉（栓钉）的抗剪承载力由公式Nvc=0.43AsEcfcd≤0.7Asf计算，此公式原来源于欧洲钢结构协会1981年组合结构规范，但欧规规定原为0.7Asfu，我国规范引用时，将其改为了0.7Asfo。
GBJ17-88规范发行以来，设计者在使用中发现，Ncv均由″0.7Asf″控制，”0.43AsEcfcd根本不起作用，使栓钉数偏多，新规范将此限制条件改为：
″0.7Asrf″，r为栓钉材料的强屈比，按规定，栓钉材料为4.6级，即f=215N/mm2，r=1/0.6=1.67。
第三部分新旧规范用钢量变化情况
88规范由于荷载及设计指标的较大调整，使钢结构的用钢量普遍提高。
用钢量增加幅度最大的是不上人的轻型屋面檩条和吊车梁系统，前者提高幅度达22%，后者的增加幅度也有8%左右。
1、某重型单层工业厂房
设计条件为一个计算单元（一榀框架），柱距12m，跨度30m，采用起重量Q为200/30t的重级工业制吊车，重型屋盖，采用梯形屋架，钢材为Q235，非地震区。
取屋面恒荷载标准值2.95kN/m2，屋面活荷载标准值按旧荷规取为0.7kN/m2，按新荷规取为0.50kN/m2，基本风压未考虑新旧规范的变化均取0.50kN/m2，计算时考虑了二种组合，见表1。
表1某重型单层工业厂房用钢量比较
构件
钢材
组合一
组合二
旧钢规+旧荷规
新钢规+新荷规
用钢量
kg/m2
计算应力
MPa
用钢量
kg/m2
计算应力
MPa
上柱
Q235B
20.90
174
21.50
171
（+2.87%）
下柱
Q235B
42.20
189
43.70
188
（+3.55%）
吊车梁
Q235C
38.40
187
39.70
188
（+3.39%）
辅助
Q235B
5.10
长细比
5.10
长细比
桁架
控制
（0.00%）
控制
屋架
Q235B
29.20
200
30.10
198
（+3.08%）
托架
Q235B
7.30
210
7.50
209
（+2.74%）
柱间
Q235B
4.05
长细比
4.20
186
支撑
控制
（+3.70%）
合计
147.15
151.80
（+3.16%）
从表中可以看到，框架柱、托架和屋架的用钢量增加较多，主要是受荷载规范修订的影响，而吊车梁用钢量的增加主要是由于GB50017规范在计算吊车横向水平荷载时对卡轨力的计算有了新的规定。
此外，由于对支撑力的计算采用了新方法，使得柱间支撑的用钢量有所增加。
2、某吊车梁系统
吊车梁跨度15m、30t+30t和45t两台吊车，钢材采用Q345，吊车梁的截面设计分别为疲劳应力控制和强度控制两种情况，见表2。
钢材
组合一
组合二
旧钢规+旧荷规
新钢规+新荷规
用钢量kg/m2
备注
用钢量kg/m2
备注
Q345
21.37
疲劳应力
20.50
疲劳应力
控制
（-4.07%）
控制
20.00
强度控制
21.63
强度控制
（8.15%）
由于修订后的吊
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