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

圖 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)stL  但不小於 75kN ；   （2.4） 邊緣繫件：0.25(1.4Gk+1.6Qk)stL  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

圖 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。

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 = S_B ⎜ ^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

圖 2.1  焊接鋼材的典型 S－N 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：

⎛  ni  ⎞

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。