㈠ 什麼叫橫截面 視頻講解
截面等級
「鋼標」在第3.5節，全新引入了截面板件寬厚比等級(截面等級)的概念。關於截面等級的涵義、如何理解以及如何應用，存在不少的疑問。
一、截面等級究竟是個啥意思?
首先從表面上來看，鋼構件由板件構成，而截面等級說的就是截面板件寬厚比等級。
截面板件寬厚比，按「鋼標」的條文說明——「截面板件寬厚比指截面板件平直段的寬度和厚度之比，受彎或壓彎構件腹板平直段的高度與腹板厚度之比也可稱為板件高厚比。」需要注意，以往規范中的「寬厚比」和「高厚比」兩個名詞，現在實際上已經統稱為「寬厚比」了。
截面板件寬厚比，是截面厚實程度的一個度量。從本質上來說，它直接決定了鋼構件的承載力、受彎及壓彎構件的塑性轉動變形能力(延性耗能能力)。換句話說，截面等級就是截面承載力和塑性轉動能力的表徵。因此，從承載力角度來說，截面等級是板件易發生屈曲程度和截麵塑性發展程度的度量;從塑性設計和抗震設計角度而言，是截麵塑性轉動和延性耗能能力的等級。
所以「鋼標」按照根據截面承載力和塑性轉動能力，參考國際標准，將截面分為五個等級。實際上這比國際上常規分為四個等級的做法多了一個等級，是因為老的「鋼規」中受彎構件一直以來都考慮了塑性發展系數(即可部分發展塑性的截面)，因為這個歷史原因，截面增加了一個等級S3。
各級截面對應的性能，實際上「鋼標」按照截面受彎的力學性能已經給出了很明確的描述：
其中尤其需要注意的是，S4級截面，它的界限，是邊緣纖維剛好達到屈服的狀態。S1~S3級截面，能發展截麵塑性，而S5級截面，在邊緣屈服未達到時，板件就已發生局部屈曲，只能考慮有效截面進行計算。
二、「鋼標」中的截面等級咋確定的?
對應歐洲規范EC3的S1~S4截面，「鋼標」將壓彎和受彎構件的截面分成S1~S5五個截面等級，其中S1、S2為塑性截面，S4為彈性截面，S3為中國規范特有的考慮一定塑性發展的彈塑性截面，S5為薄柔截面。
「鋼標」的截面等級確定，主要依據板的彈性穩定理論，同時參考了國外規范以及一些經驗值。
按照S4級截面描述的邊緣屈服同時板件剛好發生局部屈曲這個臨界狀態，可按彈性穩定的公式進行板件寬厚比限值(屈服寬厚比)的推導。
比如，對工字形截面的翼緣，按三邊簡支一邊自由的板件計算，臨界應力達到屈服應力235MPa時板件寬厚比為18.6。按屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍適當取整，作為五個截面分級的寬厚比限值，並給了一個表格來對比說明。
需要說明的是，0.5、0.6、0.7、0.8和1.1這個系數實際是帶有經驗性的。S4級截面按0.8，是考慮了殘余應力和幾何缺陷等影響，S5級截面本來應該是允許板件彈性屈曲而按照有效截面計算的，但考慮到自由邊板件局部屈曲後可能帶來截面剛度中心的變化，從而改變構件的受力，也給了一個限值。
腹板的寬厚比(以往習慣叫高厚比)，按梁腹板局部屈曲公式推導後的屈服寬厚比以及乘以0.5、0.6、0.7、0.8倍的值，與「鋼標」實際取的限值對比如圖。
很明顯，屈服寬厚比的0.5、0.6、0.7、0.8倍，與「鋼標」實際最終確定的限值並不完全一樣。按照條文說明的解釋，考慮到不同寬厚比等級的用途不同，並沒有嚴格地按照屈服高厚比的倍數：限值大的放寬了，限值小的取得嚴格了。
看一下下表「鋼標」最終確定的截面等級及寬厚比限值，部分限值的確定，實際上參考了歐洲標准EC3(見下表)，「鋼規」塑性設計的腹板高厚比限值(下文還會說)等。同時需要注意，壓彎構件腹板的寬厚比限值參考了EC3，與截面應力分布有關。
另外，注5給開了一個口子：S5級截面如果應力較小時，有可作為S4級截面使用的可能。
三、以往規范中有截面等級嗎?
雖然「鋼標」第一次明確提出截面等級的概念並且在第3章就統一給出限值，實際上以往的規范中，還是有一些截面等級的影子。
1 《鋼結構設計規范》(GB 50017-2003)(「鋼規」)
「鋼規」關於截面等級(板件寬厚比)的規定分散在受彎、壓彎構件的計算及塑性設計各章節中。
比如，對於受彎構件的強度計算，規定如下：
不考慮截麵塑性發展系數，翼緣寬厚比限值15(Q235)，考慮塑性發展系數13(Q235)，實際上就是定義了上述的兩種截面等級：S4和S3。
梁的腹板局部穩定計算，實際上又給出了彈性截面的寬厚比限值。比如，梁的受彎通用高厚比定義為
這個150(Q235)和130(Q235)實際上就是彈性截面的腹板寬厚比限值。
塑性設計時，要求如下：
這是作為寬厚比限值的構造要求給出的，看著眼熟不?和「鋼標」塑性截面的某些寬厚比限值很接近不是?
2 《建築抗震設計規范》(GB 50011-2010)(「抗規」)
「抗規」第8章，作為抗震構造措施，對框架梁、柱的板件寬厚比有如下要求：
雖然沒有明確說截面等級，但實際上就是截面延性的要求或者等級，本質上和「鋼標」截面等級是一回事，表達塑性鉸的塑性轉動耗能能力。
但是上述的要求是根據抗震等級來提的，強制性要求鋼結構框架都得延性耗能，同時要求延性構造，控制板件寬厚比——烈度大地震作用大就嚴一點，和「鋼標」的抗震設計概念不同。
「抗規」第9章，單層鋼結構廠房和多層鋼結構廠房中的單層及不超過40m的，有如下的規定：
並在條文說明中給出了三類截面等級A、B、C：
腹板寬厚比限值的72(Q235)和130(Q235)，實際上沿用了塑性設計和梁腹板彈性屈曲的數值。
「抗規」第9.2節這些規定，實際上是「鋼標」第3章截面等級以及第17章「鋼結構抗震性能化設計」的前身和影子。
四、設計中如何應用截面等級?
截面等級實際上和構件承載力以及抗震設計密切相關。稍微翻一下「鋼標」就能看到，截面等級在構件強度計算的各章以及第17章「鋼結構抗震性能化設計」中都出現了，甚至可以說它串起了各章節。這也是為什麼第一個專題要說它的原因。設計中怎麼用，很難一兩句話說清楚，在後續的專題中，尤其是抗震設計中，會詳細說明截面等級怎麼用。
新術語解釋
《鋼結構設計標准》(「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准解釋，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、殘余應力、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」新引進的與國外規范接軌的計算方法。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系數，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，目前從規范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系數得到的。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、關於支撐框架
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。
前面已出的規范，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范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。
在我們的抗震規范中，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，國外規范中存在這類結構，比如美國的建築鋼結構抗震規范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系數計算公式。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。以往我們的規范中都沒考慮，而國外規范已有這個規定。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，按這么說，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。
與現行規范的邏輯關系及應用
《鋼結構設計標准》(GB 50017-2017)(簡稱「鋼標」)頒布以後，與現行的《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規范》(GB 51022-2015)(簡稱「門規」)、《建築抗震設計規范》(GB 50011-2010)(簡稱「抗規」)等規范內容存在交叉和重疊。在設計鋼結構時，如何選用適用的規范和相關條文，成為結構工程師經常犯難的問題。
因此，在具體談《鋼標》條文之前，有必要先說說各規范的定位和他們之間的邏輯關系，以及各規范的適用情況。
一、《門規》是個啥?有《鋼標》還要他做甚?
眾所周知，《門規》是針對門式剛架輕型房屋鋼結構制定的一本專門的規范，其前身是《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》CECS 102，並在條文說明中明確表示「參照和吸取了多項國外先進標准和手冊中有關輕型房屋結構設計、製作和安裝的規定。主要參考的國外手冊是美國金屬房屋製造協會MBMA《低層房屋體系手冊》等……」(下圖是MBMA手冊的2006版，有興趣可以找來翻翻)。