新钢标全新引⼊了截⾯板件宽厚⽐等级的概念，但在截⾯等级的理解及实际设计应⽤上，存在不少疑问。我们都知道，板件宽厚⽐⼤⼩直接决定了钢构件的承载⼒及受压、弯构件的塑性转动能⼒，在很多规范中对宽厚⽐的限值均有要求，但控制依据有所不同。
本⽂将系统讲解各规范对⾼厚⽐、宽厚⽐的限值要求，同时对新钢标的板件宽厚⽐等级及限值进⾏详细分析，系统梳理出抗震区钢结构板件宽厚⽐限值的控制，为设计师明确设计思路，并解析PKPM软件中如何实现对于板件宽厚⽐限值的控制。前⾔
《钢结构设计标准》GB50017-2017（简称“新钢标”）第3.5节，按照截⾯承载⼒和塑性转动能⼒，将截⾯分为五个等级S1-S5，全新引⼊了截⾯板件宽厚⽐等级（截⾯等级）的概念。关于截⾯等级的涵义、如何理解以及如何在设计中如何应⽤，存在不少的疑问。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能⼒，在《钢结构设计规范》GB50017-2003（简称“旧钢规”）、《建筑抗震设计规范》GB50011-2010（简称“抗规”）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规
范》GB51022-2015（简称“门规”）及《⾼层民⽤建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015（简称“⾼钢规”）中对于⾼厚⽐和宽厚⽐的限值均有要求。
抗规及⾼钢规均按照抗震构造措施的抗震等级进⾏⾼厚⽐限值的控制。对于单层钢结构及多层钢结构⼚房抗规有特殊的要求。门规对钢构件的宽厚⽐及⾼厚⽐限值的控制是判断该构件的强度及稳定组合是否是地震作⽤控制⽽确定。新钢标对于宽厚⽐及⾼厚⽐限值是按照板件宽厚⽐等级进⾏控制，这与之前旧钢规及抗规中的“宽厚⽐”和“⾼厚⽐”两个名词不太相同，已经统称为“宽厚⽐”了。新钢标与其他⼏本规范对于宽厚⽐与⾼厚⽐的限值要求既有区别⼜有联系，在实际抗震设计中，如何正确的确定板件宽厚⽐限值⽐较混乱。本⽂系统梳理各规范对于宽厚⽐限值的要求，提出了在设计中如何进⾏宽厚⽐限值的控制，同时结合算例展⽰PKPM软件如何实现对于钢构件宽厚⽐及⾼厚⽐限值的控制。新钢标的截⾯板件宽厚⽐等级01
1.1 新钢标对宽厚⽐等级的划分
按新钢标条⽂说明，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。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能⼒。换句话说，截⾯等级就是截⾯承载⼒和塑性转动能⼒的表征。因此，从承载⼒⾓度来说，截⾯等级是板件易发⽣屈曲程度和截⾯塑性发展程度的度量；从塑性设计和抗震设计⾓度⽽⾔，是截⾯塑性转动和延性耗能能⼒的等级。所以，新钢标按照根据截⾯承载⼒和塑性转动能⼒，参考国际标准，并考虑到我国在受弯构件设计中采⽤截⾯塑性发展系数γx，新钢标将截⾯根据其板件宽厚⽐分为五个等级S1~S5，各级截⾯对应的性能，按照截⾯受弯的⼒学性能已经给出了很明确的描述。
S1级截⾯：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，也可以称为塑性转动截⾯；此时图1所⽰的曲线1可以表⽰其弯矩-曲率关系。ɸp2⼀般要求达到塑性弯矩Mp除以弹性初始刚度得到的曲率ɸp的8~15倍。
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；此时弯矩-曲率关系如图1所⽰的曲线2，ɸp1⼤约是ɸp的2~3倍。
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。
S4级截⾯：边缘纤维可达到屈服强度，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。
S5级截⾯：在边缘纤维达到屈服应⼒前，腹板可能发⽣局部屈曲，称为薄壁截⾯；作为梁时，其弯矩-曲率关系如图1所⽰的曲线5。
图1 截⾯的分类及其转动能⼒
需要注意的是，S4级截⾯界限是边缘纤维刚好达到屈服状态。S1~S3级截⾯，能发展截⾯塑性，设计中可以按照规范的要求考虑塑性发展系数。⽽S5级截⾯在边缘屈服未达到时，板件就已发⽣局部屈曲，只能考虑有效截⾯进⾏计算。因此对于板件宽厚⽐超出了S4时，按照新钢标需要考虑有效截⾯复核强度与稳定。1.2 新钢标板件宽厚⽐等级限值的确定
对应欧洲规范EC3的S1~S4截⾯，新钢标将压弯和受弯构件的截⾯分成S1~S5五个截⾯等级，其中S1、S2为塑性截⾯， S3为中国规范特有的考虑⼀定塑性发展的弹塑性截⾯，S4为弹性截⾯，S5为薄壁截⾯。
新钢标截⾯等级确定，主要依据板的弹性稳定理论，同时参考了国外规范以及⼀些经验值。按照S4级截⾯描述的边缘屈服同时板件刚好发⽣局部屈曲这个临界状态，可按弹性稳定的公式进⾏板件宽厚⽐限值（屈服宽厚⽐）的推导。
⽐如，对⼯字形截⾯的翼缘，按三边简⽀⼀边⾃由的板件计算，临界应⼒达到屈服应⼒235MPa时板件宽厚⽐为18.6。按屈服宽厚⽐的0.5、0.6、0.7、0.8和1.1倍适当取整，作为五个截⾯分级的宽厚⽐限值，并给了⼀个表格来对⽐说明,如图2所⽰。
图2 各种截⾯屈曲宽厚⽐和标准取值⽐较
需要说明的是，0.5、0.6、0.7、0.8和1.1这个系数实际是带有经验性的。S4级截⾯按0.8，是考虑了残余应⼒和⼏何缺陷等影响，S5级截⾯本来应该是允许板件弹性屈曲⽽按照有效截⾯计算的，但考虑到⾃由边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，也给了⼀个宽厚⽐限值。
对箱型截⾯的翼缘，四边简⽀板的屈曲系数K为4，按照临界应⼒达到屈服应⼒235MPa时板件宽厚⽐为56.29。按屈服宽厚⽐的0.5、0.6、0.7、和0.8倍适当取整，作为S1~S4四个截⾯分级的宽厚⽐限值，对于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做额外的限制。屈服宽厚⽐的0.5、0.6、0.7、0.8倍，与新钢标最终确定的限值并不完全⼀样，考虑到不
度，所以板件宽厚⽐不再做额外的限制。屈服宽厚⽐的0.5、0.6、0.7、0.8倍，与新钢标最终确定的限值并不完全⼀样，考虑到不同宽厚⽐等级的⽤途不同，并没有严格地按照屈服⾼厚⽐的倍数，限值⼤的放宽了，限值⼩的取得更严格了，四个分级截⾯屈曲宽厚⽐和标准值⽐较如图2所⽰。对于满⾜⾼承载⼒的⼚房结构，如果满⾜1.5倍或2倍地震⼒承载⼒要求时，S5级截⾯经修正可以作为S4级截⾯使⽤。
新钢标对板件宽厚⽐限值的控制02
2.1 新钢标对梁柱构件板件宽厚⽐限值控制
新钢标对于梁柱构件与⽀撑构件的宽厚⽐限值控制与旧钢规不尽相同，梁柱构件的板件宽厚⽐限值按照宽厚⽐等级进⾏控制,分五个等级，当然同时区分了构件的受⼒属性,如图3所⽰，为新钢标给出的压弯和受弯构件的截⾯板件宽厚⽐等级及限值图。
图3 压弯和受弯构件的截⾯板件宽厚⽐等级及限值2.2 新钢标对⽀撑构件板件宽厚⽐限值控制
新钢标对于⽀撑构件的宽厚⽐限值控制与梁柱构件的宽厚⽐限值不同，不区分板件宽厚⽐等级，⽽与截⾯形式和长细⽐有关，新钢标的要求与旧钢规⽐较类似，但是也有⼏个不同点。第⼀，新钢标中增加了等边⾓钢肢件宽厚⽐限值要求，旧钢规中是没有要求的。第⼆，新钢标新钢标增加了轴⼼受压构件宽厚⽐限值放⼤系数的内容，根据新钢标7.3.2规定，当轴⼼受压构件压⼒⼩于稳定承载⼒ΦAf时，可将其板件宽厚⽐限值由本标准第7.3.1 条相关公式算得后乘以放⼤系数 α=√（ΦAf/N）确定。图3为新钢标对于各类⽀撑杆件的宽厚⽐限值的要求。
图4 ⽀撑构件的板件宽厚⽐限值
旧钢规对板件宽厚⽐限值规定及与新钢标联系03
旧钢规关于截⾯等级（板件宽厚⽐）的规定分散在受弯、轴压、压弯构件的计算及塑性设计各章节中。⽐如，对于受弯构件的强度计算，规定不考虑截⾯塑性发展系数，翼缘宽厚⽐限值15εk，考虑塑性发展系数13εk，实际上就是定义了类似新钢标的两种截⾯等级：S4和S3。梁的腹板局部稳定计算，实际上⼜给出了弹性截⾯的宽厚⽐限值。⽐如，梁的受弯通⽤⾼厚⽐定义为
中，150εk和130εk实际上类似新钢标中的弹性截⾯的腹板宽厚⽐限值。旧钢规对于板件宽厚⽐的限值要求汇总结果如下表5所⽰。
图5 旧钢规板件宽厚⽐限值
同时旧钢规进⾏塑性设计时，对于板件的宽厚⽐要求如图6所⽰：
图6 旧钢规塑性设计板件宽厚⽐限值
塑性设计时，对于作为宽厚⽐限值的规定较为严格，对于翼缘的限值可以看到与新钢标的S1级截⾯的限值规定相同。
从上述的对⽐中可以看到，新钢标对于板件宽厚⽐限值的要求与旧规范既有区别⼜有联系，旧钢规中的相关要求，是对于⼀般持
从上述的对⽐中可以看到，新钢标对于板件宽厚⽐限值的要求与旧规范既有区别⼜有联系，旧钢规中的相关要求，是对于⼀般持久和短暂⼯况设计⽽⾔的，未涉及相关的抗震设计下的宽厚⽐限值要求，对于抗震相关的要求需要按照抗规执⾏。抗规对板件宽厚⽐限值规定及与新钢标联系04
抗规对板件宽厚⽐限值的控制，⼀⽅⾯区分了不同的钢结构类型，另⼀⽅⾯对提出了以抗震等级为核⼼的控制条件进⾏宽厚⽐限值的控制。对于单层钢结构⼚房和多层钢结构⼚房有特殊的要求，对于钢框架是按照抗震等级进⾏板件宽厚⽐限值的控制。汇总结果如下表7、图8及图9所⽰。
图7 抗规按结构体系对板件宽厚⽐限值进⾏控制
图8 抗规按抗震等级控制梁柱板件宽厚⽐限值
图9 抗规按抗震等级控制⽀撑板件宽厚⽐限值
抗规对于单层钢结构⼚房的板件宽厚⽐限值有特殊要求，提出了性能设计的思路。单层轻屋盖钢结构⼚房按抗规9.2.14节条⽂说明要求选择⼚房结构相应的承载⼒⽬标，在满⾜按1倍地震作⽤、1.5倍地震作⽤、2倍地震作⽤的承载⼒⽬标时，对应A、B、C三类去控制构件板件的宽厚⽐，如下图10所⽰。
图10 抗规单层钢结构⼚房板件宽厚⽐限值
从上述抗规对宽厚⽐限值的要求可以看出，虽然抗规没有明确提出截⾯等级，但实际上按照抗震等级划分也是截⾯延性的要求，本质上和“钢标”截⾯等级是⼀回事，表达塑性铰的塑性转动耗能能⼒。
根据抗震等级提出的板件宽厚⽐限值，实质是强制性要求钢结构框架在抗震下都得延性耗能，同时要求延性构造，控制板件宽厚⽐——烈度⼤地震作⽤⼤就严⼀点，这与新钢标抗震设计概念不同。
同时对具体板件宽厚⽐限值新钢标与抗规的要求不尽相同，但是也有要求⼀致的地⽅，⽐如对于梁翼缘宽厚⽐限值，抗规⼀级抗震等级与新钢标S1要求⼀致；⽐如对于柱的翼缘宽厚⽐限值的控制，抗规的四级抗震等级⼜与新钢标的S3要求⼀致。⾼钢规对板件宽厚⽐限值规定及与新钢标联系05
⾼钢规中关于构件板件宽厚⽐的相关要求与抗规基本相同，两者的不同点在于⾼钢规对于钢框架及框架⽀撑结构等规定了⾮抗震下的宽厚⽐要求，该要求与抗震等级为四级时相同，见下图11所⽰。
图11 ⾼钢规控制的梁柱板件宽厚⽐限值
⾼钢规的板件宽厚⽐限值中包含了对于⾮抗震控制的要求，这个对于⾮抗震要求的⽐如柱翼缘宽厚⽐限值的控制与新钢标的S3⼀致。
门规对板件宽厚⽐限值规定及与新钢标联系06
门规对于板件宽厚⽐的控制区分了抗震控制组合与⾮抗震控制组合，抗震控制组合下的宽厚⽐、⾼厚⽐均做了从严控制。门规3.4.1条规定：⼯字形截⾯构件受压翼缘板⾃由外伸宽度b与其厚度t之⽐不应⼤于15*sqrt(235⁄fy )，腹板⾼厚⽐不应⼤于250。同时门规3.4.3还规定：当地震作⽤组合的效应控制结构设计时，⼯字形截⾯构件受压翼缘板⾃由外伸宽度b与其厚度t之⽐不应⼤于13*sqrt (235⁄fy )，腹板⾼厚⽐不应⼤于160。
从门规要求可以看出，对⾮抗震控制下腹板⾼厚⽐限值与新钢标的S5要求⼀致；对于新钢标S5级的翼缘宽厚⽐限值⽐门规要求的更松。
实际⼯程设计中如何控制宽厚⽐限值07
通过上述多本规范对于板件宽厚⽐限值的要求可以看出，按照不同的规范就有不同的宽厚⽐限值。做为设计师，如果直接独⽴的看新钢标，实际设计就⽆法开展，因为新钢标中并没有给出设计中如何确定板件的宽厚⽐等级；同时中国所有地区都是抗震区，还要按照抗规进⾏抗震设计。如何在实际的钢结构设计中进⾏板件宽厚⽐限值的控制？
对于考虑抗震的钢构件板件的宽厚⽐控制，按众多规范要求，应有两种设计⽅法，⼀种是按照抗规要求执⾏，另⼀种是按新钢标进⾏抗震性能化设计。
7.1 按抗规进⾏抗震设计控制板件宽厚⽐限值
如果按抗规控制板件宽厚⽐，则对于构件地震作⽤参与组合对应的限值要求，应按照构件抗震等级对应的抗震构造措施的抗震等级进⾏控制。满⾜时输出计算值和对应限值，不满⾜时则输出超限要求。
如果按抗规控制板件宽厚⽐限值，对于构件验算中的⾮抗震组合及⼀些⾮抗震的构件（⽐如次梁等），考虑到新规范对于板件宽厚⽐超过S4时需要考虑有效截⾯的要求，梁、柱按照新钢标S4级要求控制，对于轴⼼受压⽀撑构件按照钢标7.3条计算得到的限值控制。如果梁、柱构件验算不满⾜S4级的要求，⽀撑构件不满⾜7.3节要求，则梁柱按照新钢标8.4.2的要求，轴⼼受压⽀撑按照7.3.3条验算有效截⾯下的强度和稳定应⼒，若有效截⾯下的应⼒⽐满⾜要求，则认为验算满⾜要求。如果有效截⾯下的应⼒⽐不满⾜，同时输出有效截⾯的应⼒⽐验算结果以及对应的超限信息。7.2 按新钢标进⾏抗震性能设计控制板件宽厚⽐限值
如果按新钢标抗震性能化来控制板件宽厚⽐，对于钢构件的地震作⽤参与组合对应的限值要求，根据所选性能⽬标及结构的设防类别确定构件延性等级，再根据延性等级确定板件宽厚⽐等级，进⽽依据宽厚⽐等级确定各个构件板件的宽厚⽐限值，不满⾜时则输出相关超限。
⾮抗震组合的构件，钢构件板件宽厚⽐的控制，与抗规抗震设计要求下对于⾮抗震组合的做法是完全⼀致的，按照S4级控制，不满⾜按照有效截⾯校核。
对于抗震等级为五级的⾮抗震构件，例如次梁，应直接按宽厚⽐等级为S4级确定其板件的宽厚⽐限值。
PKPM程序中如何实现对板件宽厚⽐限值的控制08
为了让设计师简明扼要的理解规范对于宽厚⽐限值的控制，在PKPM程序中设置了⾮常清楚明了的板件宽厚⽐控制流程。8.1 按抗规进⾏抗震设计控制板件宽厚⽐限值
如果按照抗规进⾏抗震设计，程序在内部默认的梁柱板件的宽厚⽐等级为S4，同时结合设计师指定的构件抗震等级，程序会按照构件是抗震组合控制、⾮抗震组合控制及⾮抗震构件进⾏三种情况进⾏板件宽厚⽐控制。梁、柱板件宽厚⽐验算不满⾜S4级，按照有效截⾯校核应⼒⽐，如果满⾜，则不控制宽厚⽐限值。如果不满⾜，则输出梁、柱有效截⾯的应⼒⽐验算结果以及对应的超限信息。
⽀撑是在考虑板件宽厚⽐限值放⼤的基础上判断是否超限，如果超限也是按照新钢标要求进⾏有效截⾯复核，如果满⾜则不再控制；如果不满⾜，则输出⽀撑有效截⾯的应⼒⽐验算结果以及对应的超限信息。如图12所⽰为SATWE程序对于钢结构构件板件宽厚⽐控制的逻辑图。
图12 SATWE软件对于梁、柱板件宽厚⽐限值的控制图8.2 按新钢标进⾏抗震性能设计控制板件宽厚⽐限值
如果按新钢标抗震性能化来控制板件宽厚⽐，SATWE软件对于控制要求如图12所⽰，也是区分抗震组合控制的构件、⾮抗震组合控制构件及⾮抗震构件进⾏分布控制。需要注意的是：在性能设计时，⽀撑有对应的宽厚⽐等级概念，需要单独指定⽀撑构件的板件宽厚⽐等级。梁、柱及⽀撑构件在性能设计时的板件宽厚⽐等级指定菜单如图13所⽰。
图13 性能设计梁、柱、⽀撑宽厚⽐等级指定
为了满⾜设计中的各种特殊需要，程序增加了基于构件级的宽厚⽐等级的指定，设计师也可以对单构件指定不同的宽厚⽐等级进⾏限值的控制，如图14所⽰。
图14 梁、柱、⽀撑宽厚⽐等级单构件指定
按照新钢标对于板件宽厚⽐限值的控制，对于压弯构的H截⾯构件，其宽厚⽐限值与应⼒梯度有关系，这就导致每⼀个控制⼯况下均有⼀个对应的宽厚⽐限值，设计中按照新钢标S4控制的宽厚⽐限值与按照抗规抗震等级控制的宽厚⽐限值哪个严格不⼀定。程序在处理的时候对于抗震控制组合的构件按照抗震等级控制控制宽厚⽐限值，对于⾮抗震组合的构件及⾮抗震构件默认按照S4级进⾏宽厚⽐限值的控制，对于宽厚⽐超过S4的按照有效截⾯进⾏验算，如果满⾜要求可不控制宽厚⽐限值。结论09
由上述对梁、柱及⽀撑板件宽厚⽐限值的要求可知，新钢标和抗规中对于钢构件板件宽厚⽐控制的要求，并不是我们传统认知中⼀本规范⼀定包络另⼀本，同时抗震等级也不与宽厚⽐等级的限值相对应，在宽厚⽐上表现出了两本规范各⾃的独⽴性，因此，在控制构件宽厚⽐时，尤其是抗震设计时，应根据所选设计⽅法是抗震设计还是新钢标性能设计，按照各⾃的控制条件去进⾏构件宽厚⽐的独⽴控制。同时对于⽀撑的宽厚⽐限值控制按照抗规设计与宽厚⽐等级⽆关，但是按照性能设计时，要区分⽀撑的宽厚⽐等级。结合PKPM软件的处理，本⽂对于设计中如何把控梁、柱及⽀撑构件的宽厚⽐限值给出清晰明了的控制要求。艾三维，专注BIM领域10年！
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