鋼結構作業守則-結構鋼材高強鋼材的強度設計值

1.1.1    高強鋼材的強度設計值
y              s                        s                      s  

根據附錄D 1.1 的基本規定生産的強度設計值大於 460N/mm2 且不超過690N/mm2 的高強鋼材,其強度設計值 p 可取爲 Y /1.0 且不大於 U /1.2 ,其中 Y Us 分別爲相關參考材料標準或持有認可品質保證供應商規定的屈服強度高限

ReH)和最小抗拉強度(Rm)。這些鋼材的強度通常來自淬火和回火的熱處理方法,由於加熱會影響母材的強度,因此在配製與設計此類鋼材的時候會受到了額外的限制,尤其是焊接結構。當不能採用焊接時可考慮螺栓連接。負責工程師在不同的情況下,應逐一驗證供應商提供的的參數及算式,以確保適合應用於每一項設計上。正確的焊接程序及規範是極其重要,必須給予明確指引。當高強鋼材用作受壓構件時,必須局限於厚實截面上,以保證突出部位不會發生局部壓曲。

除最大含碳量不應超過 0.20%,最大含硫量和含磷量不應超過 0.025%外, 高強鋼材須符合附錄 D1.1 的規定。

鋼結構作業守則-結構鋼材通強度鋼材的強度設計值

1.1.1    普通強度鋼材的強度設計值

鋼材的強度設計值 py 如下:

g  

p = Ys 且不大於 Us

y

m1

式中:

g m2

Ys               為屈服強度(即屈服強度高限 ReH),定義爲鋼材出現明顯屈服點時的初始屈服應力;或者

當鋼材沒有明顯屈服點時,取 0.2%的試驗應力,即 Rp 0.2 ;及0.5%總伸長時的應力,即 Rt 0.5 ,兩者中的較小值。在有爭議的情況下應取 0.2%的屈服應力 Rp0.2

Us               最小抗拉強度(Rm)。

g m1 和g m2

爲表 4.1 給予的材料分項系數。對於類別 1 和類別 1H 鋼材,g m1

取爲 1.0,g m2

取爲 1.2。(這些材料分項系數是最小值,強度設

計值不能超過各自材料標準的指定值。)

對於類別 1 鋼材常用強度等級和厚度,表 3.2 至 3.6 分別列出了根據歐盟 BS EN、中國 GBJ、美國 ASTM、澳洲 AS 和日本 JIS 標準規定的熱軋鋼材的強度設計值 py 。此外強度設計值 py ,也可根據相關産品標準中最小屈服和抗拉強度,從上述算式計算出來,參見附錄 A1.1。(強度設計值不能超過各自材料標準的指定值)

本作業守則要求鋼材供應商生產截面的尺寸,必須在他們標定的標稱尺寸及規定的正負偏差容限內,以及確保平均截面面積和特性至少爲標稱值。負責工程師應確保所有採用的鋼材都能符合此要求,否則在設計中應考慮由此引起的所有不利因素。

普通強度鋼材的基本規定爲:

  • 強度:

強度設計值應取最小屈服強度,且不大於最小抗拉強度除以 1.2。

  • 抵抗脆裂的能力:

為確保有足夠的韌性,鋼材在規定設計溫度下進行夏比衝擊測試的最小平均能量,應符合本作業守則 3.2 節中的要求。

  • 延性:


在標距爲 5.65 積。

  • 可焊性:

時,伸長率不小於 15%,其中 S0 爲截面的橫截面面

類別 1 的鋼材的化學成份以及最大的碳當量應分別符合附錄 A1.1 的參考材料標準。類別 2 及在焊接環境下的類別 3 的鋼材的最小化學成份要求如下:進行鐵水取板包樣分析時,最大的碳當量不應該超過 0.48%且碳含量不能超過 0.24%。在一般情況下,最大含硫量不應超過 0.03%, 最大含磷量不應超過 0.03%。當鋼材厚度品質(Z 品質)需要作出規範時,含硫量不應超過 0.01%。不同等級鋼材的化學成分應同時符合鋼材生産國家標準中的規定。

對於 11.1 至 11.6 中規定的冷成型開口鋼材及板材,只須符合 3.8.1.1 段和

3.8.1.2 段的強度和延性的基本規定便可。3.8.1.1 段給出了冷成型開口鋼材及板材的典型強度設計值。

對於 11.7 中所規定的冷成型空心鋼材,只需符合本條款所規定的強度及延

性的基本要求。冷彎鋼板樁則需滿足 11.8 中基本的強度和延性要求。

鋼結構作業守則-結構鋼材

1.1       結構鋼材

1.1.1    概要

本節適用於下列其中一類別且強度設計值不超過 460N/mm2 的一般強度鋼材,作為設計建築物的建築材料:

類別 1: 符合附錄 A1.1 中的其中一項參考材料標準或 3.1.2 條所列的基本規定,並且由持有認可品質保證的廠商生産的鋼材。

類別 2: 未能符合附錄 A1.1 中的其中一項參考材料標準,不過由持有認可品質保證的廠商生産的鋼材。使用前需要對這些鋼材進行測試以確保其符合附錄 A1.1 中的其中一項參考標準。附錄 D1 列出了有關測試取樣率的規定。

類別 3: 無合格證書的鋼材;類別 1 和類別 2 以外的鋼材。使用前應對這些鋼材進行拉伸測試,以證明其能夠符合預期設計目的。附錄 D1 列出了有關測試取樣率的規定。這些材料的用途需加以規管和限制,參見

3.1.4 條。

  • 節適用於熱軋型鋼和冷成型鋼管,而 3.8 節適用於冷成型開口型鋼和壓型鋼板。

根據 3.1.3 條列出的額外規定和限制條件,本章還包含了一款由持有認可品質保證的廠商生産,屈服強度大於 460N/mm2 並不超過 690N/mm2 的高強鋼材類別:

類別 1H: 屈服強度大於 460N/mm2 但小於或等於 690N/mm2 並符合附錄 A1.1 所列的其中一項參考材料標準的高強鋼材。3.1.3 條列出了有關該類鋼材及供應商的基本規定。附錄 D1 列出了有關測試的規定。

類別 UH: 本章不適用於屈服強度大於 690N/mm2 的超高強鋼材。根據建築事務監督的批准,該類鋼材可以以高強拉桿或拉筋形式,用作螺栓拉力連接,或者其他用途。在此情況下,負責工程師應呈交建築事務監督完整的證明文件,以確保該鋼材能夠符合所有規定。

本作業守則包括彈性和塑性分析與設計。塑性分析和設計不適用於無合格證書或屈服強度大於 460N/mm2 的鋼材。在某些極限狀態情況,採用高強鋼材可能有利於其他鋼材,但對於改善壓曲承載能力,效果並不顯著。採用高強鋼材並不能改善疲勞和正常使用極限狀態下的性能。

於同一個建築項目中,採用同一廠商生產的鋼材是一個良好的做法。

表 3.1  強度等級總表

強度等級 類別 認可品質保證 符合有關參考材料 標準 附加測試要求 備註
Ys £ 460 1 Y Y N 一般用途
2 Y N Y 須測試滿意方可使用
3 N Y 用途有所限制
460 < Ys £ 690 1H Y Y Y 須符合基本規定。 用途有所限制

注:相關材料標準可參照澳洲、中國、日本、美國和歐盟(英國版本)的認可標準。關於測試的數量及頻率,參見附錄D1。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)異常荷載和施加於關鍵構件上的荷載

2.5.1     異常荷載和施加於關鍵構件上的荷載

異常荷載情況可以由異常荷載引致,例如由汽車、輪船、貨車或飛機導致的衝擊或爆炸或在關鍵構件移除後對剩餘結構進行的分析考慮。

對於設計要求避免不合比例坍塌的建築物,根據 2.3.4.3 段規定的關鍵構件應設計成能夠承受本條提及的異常荷載。其他所有對關鍵構件穩定性至關重要的側向約束鋼構件或其他結構構件,其本身也應設計到可以承受同樣的異常荷載。異常荷載應從所有水平或垂直方向施加於該構件上,但每次只需考慮一個方向的荷載效應,同時亦要考慮與該構件相連的構件,在承受到同樣荷載時對該構件產生的反力,考慮到這些構件及其連接的承載能力,該反力應不大於能夠合理傳遞的最大反力。

如有需要及可能的話,關鍵構件及其連接應設計成能夠抵抗 34kN/m2 爆炸壓力或者來自汽車的衝擊力。汽車的正常標稱設計衝擊力應符合香港現行《建築物

(建造)規例》的規定。

表 4.3 列出了這些情形下所採用的荷載分項系數及其與正常荷載的組合,同時考慮了其他荷載作用與異常事件同時發生的較低或然率。

2.5.2     建築期間的荷載

設計時應考慮施工期間出現的荷載。

2.5.3     臨時結構在建築期間的荷載

設計時應考慮建築期間出現的最不利荷載情況。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)設定橫向荷載

2.5.1     設定橫向荷載

現實中,所有結構都有諸如構件垂直度和平直度不足之類的缺陷。爲考慮這些因素,所有結構的側向抗力系統應有能力承受設定橫向荷載,其最小值爲同樓層所受恆載設計值和外加荷載設計值總和的 0.5%。假如該值小於最小設定橫向荷載 0.5kN/m2,則取最小設定橫向荷載算計。這壓力應施加於結構的周邊立面上及不需乘上荷載分項系數。

對於施工中的臨時結構以及對側移特別敏感的結構,比如內部工作平臺、棚架、模板支架以及大看臺,應採用更大的設定橫向荷載計算。這力的大小為施加在同一水平恆載設計值和外加載設計值總和的 1%;或設定側向壓力的較大值, 並施加於結構週邊立面上。

應假定設定橫向荷載每次只可加在任意一個方向上,並施加於屋頂和每一層樓面或者其等效高度處。在荷載組合 1 中,設定橫向苛載可與垂直恆載設計值及

外加荷載設計值同時發揮作用,參見第 4 章。

在考慮傾覆作用、最不利分佈荷載,以及在荷載組合中已考慮了外加水平荷載或者溫度效應時,不需考慮設定橫向荷載。計算基礎的淨反力時亦不需要考慮。

如果移動式高架起重機的特定荷載已經包括了很大的水平荷載,在計算設定橫向荷載時便不需要考慮吊機的垂直荷載。

關於拆卸工程中使用的支撐結構的設定橫向荷載值,應參考建築物拆卸作業守則的相關規定。

除了考慮設定橫向荷載外,也可利用 6.4 節提及的非線性“ P – Ä ”分析直接考慮。

下表總結了 4.3 節中列出的主要荷載組合中要考慮的側向力。

表 2.2  需考慮的側向力總表

荷載描述 主要荷載組合 使用值(取最大值)
普通結構的設定橫向荷載 荷載組合 1 恆載設計值與外加荷載設計值總和的0.5%;或 0.5kN/m2 的設定橫向荷載。使用此值時不必乘上分項系數。
施工中的臨時結構 (圍街板結構除外) 及對側移極度敏感的結構的設定橫向荷載 荷載組合 1 恆載設計值與外加荷載設計值總和的1%;或 1.0kN/m2 的設定橫向荷載。使用此值時不必乘上分項系數。
風荷載産生的橫向荷載 荷載組合 2 和 3 實際風荷載; 恆載標準值的 1%;或 施加於內部結構的 0.5kN/m2 的側向壓力。(此荷載必須乘上適當的分項系數。)
泥土和水産生的橫向荷載 荷載組合 2 和 3 計算所得實際值。(此荷載必須乘上適當的分項系數。)

注:拆卸中的結構的設定橫向荷載應參照《建築物拆卸作業守則》。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)吊機荷載

2.5.1     吊機荷載
  • 移動式高架起重機

來自移動式高架起重機的垂直和水平動力荷載及衝擊效應應根據 13.7 節以及考慮吊機生産廠商關於吊機的限制後加以確定。

戶外移動式高架起重機的風荷載應根據香港現行風力效應作業守則或其他地區合適的風荷載守則加以確定。有關使用狀態下的吊機荷載可參考 13.7.1 條。

表 13.3 列出戶外移動式高架起重機垂直荷載的分項系數,適用於動力垂直輪胎荷載,即適當增加垂直輪胎荷載,用以考慮動力效應。

當結構或構件受到兩台或兩台以上吊機的荷載影響時,應將吊機實際可能同時作用産生的最大垂直和水平荷載作爲吊機荷載。

  • 塔式起重機、吊臂起重機及流動起重機的荷載

當需要對永久性結構就塔式起重機、吊臂起重機及流動起重機的外加荷載效應進行驗算時,外加荷載的所有組合應通過與吊機供應商及建築承建商共同磋商後加以確定。這些包括正常使用荷載和惡劣天氣下出現的非正常荷載,例如颱風。應提供足夠的上舉抗力。這應包括起重機吊臂在平面上任何可能的使用位置,旋轉和方位角情形下所産生的荷載。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)荷載

2.3        荷載

2.5.1     概要

所有相關荷載應單獨立考慮,亦要考慮對構件和整體結構産生最不利效應的可能的荷載組合。也應當考慮波動荷載的大小和頻率。

應小心考慮安裝過程的荷載情況。如有需要的話,支承的沉降亦要考慮。參閱 2.5.5 條。

2.5.2     恆載和外加荷載

特徵恆載和外加荷載應根據《建築物(建造)規例》來確定。

在香港以外的國家或地區進行設計時,荷載應參照當地或國際的規定。

2.5.3     風荷載

在香港,特徵風荷載應根據香港現行風力效應作業守則進行取值。

在香港以外的國家或地區進行設計時,風荷載應參照當地或國際的規定。根據 4.3 節中設定的適當荷載組合 2 和 3,最小的風荷載標準值應不小於恆

載標準值的 1.0%。該荷載應當施加於每一樓層,以及根據該樓層和與之相連的垂直構件的重量來計算。

對於內部結構的設計(如音樂廳內的臨時座位),設計側向荷載標準值應取恆載與外加荷載總和的 1%,或由 0.5kN/m2 的側向壓力乘以合適的荷載系數的較大值。該壓力應施加在結構的周邊立面上。

由於移動式高架起重機的特定荷載已經包括了很大的側向荷載,因些計算最小風荷載時,無需包括起重機的垂直荷載。

2.5.4     土壓力和水壓力

標稱土和地下水荷載應根據實際地質條件及相關香港土力工程處技術指引進行取值。

在香港以外的國家或地區進行設計時,標稱荷載應參照當地或國際的規定。

2.5.5     基礎不均勻沉降引起的荷載效應

當設計人員認爲基礎不均勻沉降效應在極限狀態或正常使用極限狀態構成了重大影響時,在結構的設計中便要考慮該效應。可採用恰當的岩土力學方法計算最可能出現的不均勻沉降。

2.5.6     溫度變化引起的荷載效應

在結構的設計與安裝過程中,有必要考慮溫度的變化,在香港可以假定內鋼結構的平均溫度變化從+0.1ºC 到+40ºC。然而,實際的溫度變化幅值取決於位置、結構類型和用途,結構在特別情況下,以及在香港以外的地方,會受到不同溫度變化幅度的影響,而需要再作特別考慮。對於某些結構(如預應力拉桿和懸索結構系統),其結構穩定性和設計預應力十分取決於溫度變化,因而對這類結構的設計應給予特別留意,參見 13.3 節。13.3.4.3 段對室外暴露於陽光下的構件設計提供了更爲詳細的指引。

鋼結構作業守則-正常使用極限狀態(SLS)

2.3        正常使用極限狀態(SLS)

正常使用極限狀態考慮在正常的外加荷載作用下,結構或結構構件的使用規定。例如:撓度、風振或人爲引起的振動及耐久性等。這些將在第 5 章中闡述。

爲了符合正常使用極限狀態下構件的設計,正常使用狀態的設計抗力應大於或等於正常使用狀態的設計荷載效應。正常使用狀態計算時通常將荷載分項系數取爲 1.0。

2.4.1   正常使用狀態的荷載

通常正常使用狀態的荷載應取不考慮荷載分項系數的特徵荷載。

正常使用狀態驗算時,對於寒冷地區異常的屋頂局部堆積雪荷載不應包括在外加荷載中。

正常使用狀態驗算時,對於外加荷載與風荷載的組合,只需考慮全部特徵值的 80%;對於橫向吊機荷載與風荷載的組合,只需考慮兩種效應中較大的荷載。

計算組合構件最有可能的變形時,有必要考慮蠕變效應。在此情況下,有必要估算長期外加荷載與短期外加荷載的比例。對於普通的住宅和辦公室,考慮25%的外加荷載爲長期荷載,其餘 75%爲短期荷載;對於檔案館和倉庫,考慮

75%的外加荷載爲長期荷載;對於機房樓面,所有外加荷載均爲長期荷載。

鋼結構作業守則-極限狀態(ULS)結構的完整性和堅固性

1.1.1     結構的完整性和堅固性
  • 概要

爲了確保結構的整體性和堅固性以及減少局部損毀引起連續坍塌的危險,建築物應附合下列各項規定:

  • 設置水平和垂直連續拉力繫件。
    • 可以扺抗設定橫向荷載
    • 當某一垂直構件移去後,結構可以通過更改荷載傳遞途徑,限制局部損毀和坍塌的範圍,。當垂直構件移去後,構件及其連接處出現顯著的永久變形是可以接受的。
    • 關鍵構件的設計。

位於伸縮縫之間的建築物部份都應被當作獨立的建築物。

  • 建築物中設置連續拉力繫件的原理

在每一個主要樓層,建築物的結構應有效地連接在一起。承托主要樓層的每一根柱子都應在大致直角的兩個方向上利用橫向繫件有效地固定其位置。在屋頂同樣要設置橫向繫件,除非該鋼結構僅承受不超過 0.7kN/m2 的覆蓋層重量和外加屋頂荷載及風荷載。

連續繫件的軸線應盡可能接近於樓板或屋頂的邊緣及柱的中心線,參見圖 2.2。在內角處最靠近邊緣的繫件應錨入鋼框架,如圖 2.2 所示。所有橫向繫件及其末端連接應牢固可靠和具有延性。

橫向繫件可以是鋼結構構件(包括那些同時用作其他用途的構件),或是錨固在鋼框架上以及埋入混凝土中的鋼筋,或是與鋼樑起組合作用的組合板中的鋼筋網以及壓型鋼板。壓型鋼板應通過抗剪連接件與鋼樑直接連接,參見第 10 章。

柱繫件                                                                    邊緣繫件

繫件

邊柱件

2.2  建築物柱繫件的示例

  • 避免不合比例坍塌

若符合以下情況,遵照本守則規定設計的鋼框架建築物可假定為不可能發生不合比例坍塌:

  1. 普通繫件   如可行的話,根據 2.3.4.2 段所述,橫向繫件應設置在連續軸線上,以及沿大致直角的兩個方向分佈在整個樓層或屋頂, 參見圖 2.3。

作爲橫向繫件的鋼構件及其末端連接,應具有不低於 75kN 的設計

抗拉承載力,此拉力無需與其他荷載一起考慮。由鋼筋組成的橫向繫件應遵照混凝土結構作業守則中的規定進行設計。繫件所受的力度應當按照以下方法進行計算:

內部繫件:0.5(1.4Gk+1.6Qk)st但不小於 75kN ;   (2.4) 邊緣繫件:0.25(1.4Gk+1.6Qk)st但不小於 75kN ;  (2.5) 式中:

Gk 樓面或屋頂的毎一單位面積的特定恆載;

L 繫件的跨度;

Qk         樓面或屋頂的毎一單位面積的特定外加荷載;

st         所驗算繫件與相鄰繫件之間的平均橫向間距。

若沒有其他荷載存在,如構件及其末端連接能夠承受相等於設計荷載作用下構件末端反力,或末端反力的較大值(若末端反力不等)的拉力,且該拉力不小於 75kN 時,該構件可假定為符合以上各項條件。

  • 邊柱繫件   錨固在最接近樓面或屋頂邊柱上的橫向繫件,應能夠承受垂直於邊緣的設計拉力,該設計拉力等於以上 a)段中計算的拉力, 75kN 或該相鄰樓層邊柱的最大設計恆載和外加荷載總和的 1%,的較大值。

有懸挑系統或外桁架系統的高樓大廈常常有著很大的邊柱,或巨型柱。這些柱的側向穩定性和連在其上的繫件需要特殊考慮,因爲約束力可以非常大,設計指引參見 13.1 節。

  • 柱的連續性 除非鋼框架在至少一個方向上是完全連續的,否則所有的柱都應在樑柱連接位直通。所有柱拼接應能夠抵抗等於最大垂直設計反力的拉力,該設計反力由恆載加上外加荷載或者由恆載、風載加上外加荷載,作用在該柱拼接與位於下面的相鄰柱拼接之間的單個樓層距離位置上産生。
  • 水平抗力   2.3.2.3 段建議用於抵抗水平力的支撐區或其他系統,應分佈於整個建築物內,從而在大致呈直角的兩個方向中的任一個方向上,建築物沒有太多部份僅用一點與該水平抗力系統相連。
  • 樓板預製件 當使用預製混凝土或其他重型樓板或屋頂單元時,應將其沿跨度方向適當錨固,應遵照預製混凝土建造守則規定,在支座處彼此錨固,或直接錨固於支座上。

當前三種情況 a)至 c)中的任何一種都不能滿足時,應對建築物內每一樓層逐層進行驗算,以確保不會在某一根柱假設移除後突然發生不合比例坍塌。如果條件 d)不能滿足,則應逐層驗算,以確保不會在水平抗力系統內的某一件構件的假設移除而突然發生不合比例坍塌。在相應的樓層及與其緊密相連的上下樓層或屋頂中的任一個平面上,建築物具有坍塌危險的部份不應超過 15%或者 70m2

(取兩者之中較小值)。若由於某一根柱或者水平抗力系統內的某一構件的假設移除,會引起更大面積坍塌的危險,則應將那柱或構件設計成關鍵構件,參見

2.5.9 條的規定。

   

將所有樑設計成繫件

錨固柱 A

的繫件

A

2.3  建築物普通繫件的示例

  1. 脆裂

在低溫下承受拉應力的焊接鋼結構可能會發生脆裂。在某些情況下,若採用了對脆裂敏感的連接細節、不恰當的裝配情況以及使用了低韌性焊接材料,脆裂也可能會在正常溫度下發生。這個問題可通過採用具有恰當延性等級的特定鋼材和焊接加以解決,做法通常利用夏比測試確定延性等級。越厚的鋼板和節點,要求的延性等級越高。就選擇恰當的延性等級,請參閱 3.2 節的指引。

鋼結構作業守則-極限狀態(ULS)

1.1        極限狀態(ULS)

極限狀態需要考慮結構或結構構件抵抗損壞的強度和穩定性。

爲了使構件的設計符合在極限狀態下的規定,構件或截面的設計抗力或承載力應大於或等於極限設計荷載效應。設計抗力可以由材料的特徵極限強度除以材料分項系數得到。如第 4 章所述,設計荷載由特徵荷載乘以荷載分項系數而獲得, 而荷載效應設計則可通過設計荷載的適當計算而獲得。

1.1.1     強度極限狀態

在驗算結構或結構任何一個部份的強度時,規定荷載要乘以第 4 章表 4.1 到表 4.3 所列出的相對分項系數g f 。設計荷載應用於計算所考慮的最不利荷載的組合。需要考慮的基本荷載組合爲:(1)恆載和外加荷載、(2)恆載和側向荷載(3)恆載、外加荷載和側向荷載。

在每一種荷載組合中,當恆載可以抵消其他荷載效應,包括恆載的抗滑動、抗傾覆或抗上舉,其分項系數g f 為 1.0。

由本守則相關規定的每件構件和連接的支承荷載能力,能確保設計荷載不會引致其損壞。

1.1.2     穩定性極限狀態
  • 概要

應驗算結構的靜態平衡,水平抗力和側移剛度。設計荷載應用於計算所考慮的最不利荷載的組合中。

  • 靜態平衡

不論設計荷載在單獨或組合考慮時,都不應導致結構或結構任何部份(包括基礎)的滑動、傾覆以及上舉。恆載、外加荷載和側向荷載的組合應對所考慮結構的穩定性極限狀態産生最不利的效應。應考慮恆載在施工階段或其他臨時情況下的變化。

設計也應符合《建築物(建造)規例》有關抵抗傾覆、上舉和滑動的整體穩定性要求。

  • 水平抗力

所有結構(包括伸縮縫之間部份)都應具有足夠的水平抗力,以致在沒法預計荷載效應下,堅固性仍可保持在合理水平上。

可通過以下一種或多種抗側向力系統提供水平抗力:三角支撐;彎矩抗力節點;懸挑柱;剪力牆;樓梯適當地設計在牆身之間、設備及電梯槽或類似的垂直構件。在這些系統的設計中應當考慮荷載方向的反向情況。

覆蓋層、樓板和屋頂應具有足夠的強度及適當地固定在結構骨架上,從而提供橫隔膜作用並將水平力傳遞到抗側向力的構件上(收集點)。

當水平抗力不是由鋼框架提供時,鋼結構的設計文件應當清晰表明需要這些結構的建造目的並訂明它們所受的力,參見 1.2 節。

  • 側移剛度和整體側向或扭轉壓曲的抗力

所有結構應具有足夠的側移剛度,以致垂直荷載不會因爲結構的側向移位而在構件或連接部位産生過大的次力或彎矩。此規定應適用於伸縮縫之間結構的所有結構。

當二階(或“ P – Ä ”)效應顯著時,在進行結構系統抗側向力部份的設計時應明確地加以考慮。結構系統應具有足夠的剛度以約束在任何水平方向的側移,同時亦可約束結構平面內的扭轉(即防止整體扭轉的不穩定性)。

當“ P – Ä ”效應不太明顯時,結構可以定義爲無側移,但仍要驗算結構是否有足夠抗力承載 2.5.8 節中規定的標稱水平力。

當採用彎矩抗力節點提供側移剛度時,結構系統的分析應考慮節點的柔性。假如砌石內嵌板和壓型鋼板的加勁作用存在時,分析和設計中也應加以考慮。6.3 節描述了框架分類的具體規定。

構件屈曲即“ P d ”在各種分析和設計中都應該考慮。

1.1.3     疲勞

除非結構或構件受到顯著的應力波動作用,否則不需要考慮疲勞。風荷載引起的正常應力波動變化不需考慮。

在疲勞設計時,荷載分項系數g f 設定爲 1.0。

疲勞設計的原則如下。當疲勞為主要考慮時,疲勞抗力設計及工作質量的詳細指引,可以參考附錄 A1.10 所列的文獻。對於疲勞為重要設計考慮的時候,第14、15 章有關工作質量的條款不能完全適用,因此所有設計細節及工作質量的規定必須清楚訂明。。

需要考慮疲勞抗力的情況包括:

  • 由氣體動力學不穩定性引起的風振。無須考慮由風荷載引起的正常波動。
  • 用於支撐重型振動機械或裝置的結構構件。
  • 13.7 節規定的支承吊機的構件
  • 橋樑結構,通常會遵照橋樑設計守則進行設計。在進行疲勞性能評估時,以下情況應當特別重視:
  • 與在空氣中的相應性能相比,腐蝕或浸於水將會縮短疲勞使用年限。
  • 非常大的應力幅度將縮短疲勞使用年限。
  • 在應力集中區域疲勞使用年限將會縮短;焊接點的疲勞使用年限通常會較短,但亦取決於焊接的幾何尺寸。
  • 與較薄的焊接點相比,一些焊接較厚的節點的疲勞使用年限會有所折減。
  • 由溫度改變引起熱應力的反覆波動亦能導致疲勞。建築物結構隨正常環境的溫度改變,通常不會引致疲勞問題。
    • 疲勞設計的原則

假如構件或結構受到重覆應力循環的作用時,它可能在應力低於材料的抗拉強度,以及通常低於材料的屈服強度時出現損壞。導致這種損壞的過程稱之爲疲勞。

在重覆應力波動作用下疲勞損壞通過裂縫的緩慢發展而産生。裂縫隨著每一次應力循環幅度(S)而逐步增大。裂縫起初出現在應力集中最嚴重的區域,並且在垂直於最大幅值的主應力方向上增長。當裂縫增長到一定大小以致剩餘橫截面發生屈服或塑性損壞,或者裂縫到達了斷裂的臨界尺寸,就會發生最終的損壞。因此,在疲勞過程中產生的破壞是累積的並且是不可修復的。

以下的 2.3.3.2 段到 2.3.3.4 段闡述了避免疲勞設計的基本設計哲理。

  • S-N 關係式

大多數的疲勞設計準則是採用有關構造細節的一系列 S-N 曲線來表達。其中N 為可使用年限,以某一應力幅度 S 若干次重覆循環的形式來表達。應力幅度是最大與最小應力的差值。特定細節的基本 S-N 設計曲綫(例如不同尺寸的焊縫或螺栓連接)是由於相同尺寸試樣板的實驗室測試得來,通常以特定的破壞或然率來表達(例如平均值減去二次標準偏差)。圖 2.1 給予一種示意性的 S-N 曲線, 疲勞裂縫出現在橫向對接焊以及在鋼板上的橫向角焊焊腳中。

通常,特定材料和幾何尺寸的基本 S-N 設計曲綫受到平均應力(最大與最小應力的平均值)和應力比(最小與最大應力的比例)影響。不過在焊接節點中, 高焊接殘餘應力的存在意味著平均應力和應力比通常都很高。焊接接點的基本S-N 設計曲綫假定高殘餘應力的存在,無須根據外加荷載對平均應力和應力比進行調整。

構造細節與適當的基本 S-N 設計曲綫由一分類系統連在一起。分類取決於節點類型、幾何尺寸和荷載方向,與特定位置和開裂模式有關。

母材的基本 S-N 設計曲綫在一定程度上取決於材料的強度,這至少在小尺寸光滑試件的實驗室測試中表現如此。不過對於焊接細節,與較低強度鋼材相比, 在同樣使用年限的設計應力幅度作用下,高強度鋼材焊接構件的疲勞強度並沒有

增加。某些類型焊接細節的疲勞強度隨著節點厚度的增加而減少,而修正值應採用下式進行:

⎛ t ⎞1/ 4

S SB B ⎟                                                                 (2.2)

t

式中

S     所考慮節點的疲勞強度,節點厚度爲 t

SB        當節點厚度為 tB 時,利用基本設計曲線得到相同節點的疲勞強度, 通常 tB 設定為 22mm;

t     大於 16mm 或者構件或螺栓的實際厚度;

tB        相對於基本 S-N 設計曲線的最大厚度。

1000

2.1  焊接鋼材的典型 SN 曲線

該基本 S-N 設計曲綫基於固定幅度的測試,以及假設在對數常態分佈下,由平均值減去兩倍標準偏差的值,這值代表損壞的正常或然率為 2.3%。

  • 設計方法

疲勞設計有兩種基本方法:

  • 損毁容限設計
    • 安全使用年限設計

疲勞本身的潛在離散性以及結構超過設計年限仍然使用的可能性,增加了使用期間疲勞開裂的可能性。損毀容限設計的目的是確保在正常使用情況下,即使出現疲勞開裂,剩餘結構部份仍可安全地承受工作荷載,直至該開裂能被察覺。

安全使用年限設計適合在定期檢查不可能或不可行的情況下使用。該方法確保計算使用年限多倍大於需要的使用年限。

  • 疲勞評估程序

一個結構構件可能含有多個疲勞開裂起始點。應首先對結構中承受最大應力波動和/或應力最集中的區域進行驗算。基本程序概括如下:

  1. 選擇結構需要的設計使用年限,比如根據本守則,房屋的設計使用年限是 50 年,而路橋的設計使用年限通常是 120 年。
  2. 對結構設計使用年限內的預期荷載進行估算。
  3. 估算在考慮細節上的應力變化歷史。
  4. 利用循環計數方法(如雨流或水庫循環數數法),將第i次應力變化歷史,由相等循環數目但不同應力幅度 Sri 所代替。參見附錄 A1.10 中認可的參考文獻。
  5. 將循環次數按照應力幅度由大到小排列,從而得出應力譜。
  6. 將每一個細節構造進行分類以選擇合適的 S-N 曲線。
  7. 考慮諸如材料厚度、腐蝕及焊接改進方法等的變化,將設計 S-N 曲線加以修訂。
  8. 對於按照上述 d)和e)得到的應力譜中的每一個應力幅度 Sri,根據相應細節構造的基本 S-N 設計曲綫,確定可進行的循環次數 Ni 。利用此應力幅度下循環次數 ni 與循環次數 Ni 的比例,來確定該應力幅下的疲勞損傷。線性累積損傷理論(Miner’s Law)表明在所有應力幅度下,比值 ni/Ni 的總和達到整數 1 時將産生破壞。根據設計目的,該線性累積損傷總和規定如下:

⎛  n

å⎜    ⎟ < 1                                                         (2.3)

N  

⎝     i

  1. 若對線性累積損傷總和不滿意,可修改最高應力幅度(及其它所有應力幅度)或接點類別,以得出一個滿意值,即等於或小於 1.0。