3.5 截面板件宽厚比等级

3.5.1 进行受弯和压弯构件计算时，截面板件宽厚比等级及限值应符合表3.5.1的规定，其中参数α₀应按下式计算：    式中：σ_max——腹板计算边缘的最大压应力(N／mm²)；
             σ_min——腹板计算高度另一边缘相应的应力(N／mm²)，压应力取正值，拉应力取负值。 3.5.2 当按本标准第17章进行抗震性能化设计时，支撑截面板件宽厚比等级及限值应符合表3.5.2的规定。  注：w为角钢平直段长度。     截面板件宽厚比指截面板件平直段的宽度和厚度之比，受弯或压弯构件腹板平直段的高度与腹板厚度之比也可称为板件高厚比。
3.5.1 绝大多数钢构件由板件构成，而板件宽厚比大小直接决定了钢构件的承载力和受弯及压弯构件的塑性转动变形能力，因此钢构件截面的分类，是钢结构设计技术的基础，尤其是钢结构抗震设计方法的基础。原规范关于截面板件宽厚比的规定分散在受弯构件、压弯构件的计算及塑性设计各章节中。
    根据截面承载力和塑性转动变形能力的不同，国际上一般将钢构件截面分为四类，考虑到我国在受弯构件设计中采用截面塑性发展系数 γ_x ，本次修订将截面根据其板件宽厚比分为5个等级。
    1 S1级：可达全截面塑性，保证塑性铰具有塑性设计要求的转动能力，且在转动过程中承载力不降低，称为一级塑性截面，也可称为塑性转动截面；此时图1所示的曲线1可以表示其弯矩-曲率关系， p₂ 一般要求达到塑性弯矩 M_p 除以弹性初始刚度得到的曲率 _p 的8倍～15倍；
    2 S2级截面：可达全截面塑性，但由于局部屈曲，塑性铰转动能力有限，称为二级塑性截面；此时的弯矩-曲率关系见图1所示的曲线2， p₁ 大约是 _p 的2倍～3倍；
    3 S3级截面：翼缘全部屈服，腹板可发展不超过1／4截面高度的塑性，称为弹塑性截面；作为梁时，其弯矩-曲率关系如图1所示的曲线3；
    4 S4级截面：边缘纤维可达屈服强度，但由于局部屈曲而不能发展塑性，称为弹性截面；作为梁时，其弯矩-曲率关系如图1所示的曲线4；
    5 S5级截面：在边缘纤维达屈服应力前，腹板可能发生局部屈曲，称为薄壁截面；作为梁时，其弯矩-曲率关系为图1所示的曲线5。     对工字形截面的翼缘，三边简支一边自由的板件的屈曲系数K为0.43，按式(1)计算，临界应力达到屈服应力f_y＝235N／mm²时板件宽厚比为18.6。  式中：K——屈曲系数；
           E——钢材弹性模量；
           f_y——钢材屈服强度；
           v——钢材的泊松比。
    五级分类的界限宽厚比分别是(b₁／t)_y的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍取整数。带有自由边的板件，局部屈曲后可能带来截面刚度中心的变化，从而改变构件的受力，所以即使S5级可采用有效截面法计算承载力，本次修订时仍然对板件宽厚比给予限制。
    对箱形截面的翼缘，四边简支板的屈曲系数K为4，按式(1)计算，临界应力达到屈服应力fy＝235N／mm²时板件宽厚比为56.29。S1级、S2级、S3级和S4级分类的界限宽厚比分别为(b／t)_y的0.5、0.6、0.7和0.8倍并适当调整成整数。对S5级，因为两纵向边支承的翼缘有屈曲后强度，所以板件宽厚比不再作额外限制。四边简支腹板承受压弯荷载时，屈曲系数按下式计算，其中参数α₀按本标准式(3.5.1)计算：     屈服宽厚比、0.5倍～0.8倍的屈服宽厚比，以及四个分级界限宽厚比的对比见图2，考虑到不同等级的宽厚比的用途不同，没有严格地按照屈服高厚比的倍数，如厂房跨度大，截面高，截面希望高一些，腹板较薄，得到翼缘的约束大，宽厚比适当放大，而截面宽厚比等级为S1级或S2级的，往往是抗震设计的民用建筑，在作为框架梁设计为塑性耗能区时(α₀＝2)，要求在设防烈度的地震作用下形成塑性铰，所以宽厚比反而比0.5、0.6的倍数更加严格。
    缺陷敏感型的理想圆柱壳，其临界应力是σ_cr＝0.3(Et／D)，其屈曲荷载严重依赖于圆柱壳初始缺陷的大小，而民用建筑的钢管构件不属于薄壳范畴，初始弯曲相对于板厚一般小于w0／t＜ 0.2，此时真实的临界荷载与理想弹性临界荷载的比值在0.5左右，即σ_cr≈0.15(Et／D)＝f_y，临界应力达到屈服应力的直径厚度比值计算如下：


    宽厚比／屈服径厚比为0.5、0.6、0.7和0.8的数据也在表2给出，本次修订的S1级、S2级、S3级和S4级分级界限采用了欧洲钢结构设计规范EC3：Design of steel structures的规定。
    综上所述，各种截面屈曲宽厚比和标准取值比较见表2。     另外，表3.5.1压弯构件腹板的截面板件宽厚比等级限值与其应力状态相关，除塑性耗能区部分及S5级截面，其值可考虑采用 ε_σ 修正， ε_σ 为应力修正因子，。