來源：從鋼結(jié)構(gòu)到裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）（簡稱“鋼標(biāo)”）頒布以后，與現(xiàn)行的《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 51022-2015）（簡稱“門規(guī)”）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）（簡稱“抗規(guī)”）等規(guī)范內(nèi)容存在交叉和重疊。在設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，如何選用適用的規(guī)范和相關(guān)條文，成為結(jié)構(gòu)工程師經(jīng)常犯難的問題。

因此，在具體談《鋼標(biāo)》條文之前，有必要先說說各規(guī)范的定位和他們之間的邏輯關(guān)系，以及各規(guī)范的適用情況。

一、《門規(guī)》是個啥？ 有《鋼標(biāo)》還要他做甚？

眾所周知，《門規(guī)》（GB 51022-2015）是針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)制定的一本專門的規(guī)范，其前身是《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 102-2002，并在條文說明中明確表示“參照和吸取了多項國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)和手冊中有關(guān)輕型房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作和安裝的規(guī)定。主要參考的國外手冊是美國金屬房屋制造協(xié)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）。

 MBMA手冊的主要內(nèi)容大致為：荷載（重點(diǎn)是風(fēng)荷載和吊車荷載）、適用性（正常使用相關(guān)的一些設(shè)計要求和考慮）、一般的工業(yè)實踐（訂購和合同文件中關(guān)于設(shè)計、制造、交易和安裝等的指導(dǎo)）、規(guī)格指導(dǎo)、美國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會金屬房屋的認(rèn)證程序、建筑節(jié)能、抗火、風(fēng)雪地震和降雨資料。也就是說，MBMA手冊更像是一個指導(dǎo)行業(yè)產(chǎn)品買賣的文件，而非規(guī)范。其中關(guān)于設(shè)計施工的內(nèi)容很籠統(tǒng)，風(fēng)荷載的內(nèi)容也是原封不動從美國ASCE 7規(guī)范（相當(dāng)于《建筑設(shè)計荷載規(guī)范》）引來的。

對照看我們的《門規(guī)》，卻是一個針對門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)的完整的技術(shù)規(guī)范，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計（結(jié)構(gòu)布置、荷載取值和組合、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件計算、節(jié)點(diǎn)、圍護(hù)板設(shè)計等）、防護(hù)、制作、運(yùn)輸、安裝和驗收等內(nèi)容。這些內(nèi)容，在原來的規(guī)范中并不覆蓋。換句話說，按原來的規(guī)范，門式剛架壓根沒法設(shè)計，或者說即便設(shè)計出來，也不再是國外引進(jìn)的那個門式剛架。

因此，這么對比一下就很清楚了——《門規(guī)》是啥？《門規(guī)》為了門式剛架引進(jìn)國內(nèi)應(yīng)用，專門編制的一本規(guī)范，是在原先國內(nèi)規(guī)范不覆蓋、不支持這種結(jié)構(gòu)形式的情況下，從夾縫中生出來的一個小兒子。

《門規(guī)》和《鋼標(biāo)》（之前是《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB 50017，簡稱《鋼規(guī)》）在國標(biāo)體系中并列，某種意義上說，是規(guī)范體系的混亂。按照邏輯關(guān)系，《門規(guī)》中跟鋼結(jié)構(gòu)靜力計算相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)該體現(xiàn)在《鋼標(biāo)》（或《鋼規(guī)》），荷載的規(guī)定應(yīng)該在《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，而抗震設(shè)計的內(nèi)容則應(yīng)該在《抗規(guī)》中表達(dá)。如果需要有專門針對門式剛架的詳細(xì)的指導(dǎo)性文件，可以作為協(xié)會規(guī)程或者手冊處理，為一種結(jié)構(gòu)形式編一本國家規(guī)范，只會讓規(guī)范體系愈發(fā)龐大和累贅。如果說以前的《鋼規(guī)》不覆蓋門式剛架鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的《鋼標(biāo)》實際上已經(jīng)基本覆蓋了。

筆者在本公眾號曾經(jīng)寫過一些關(guān)于門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的文章，如《所謂的輕鋼和普鋼，本質(zhì)區(qū)別到底是啥？》、《談?wù)勑麻T規(guī)風(fēng)荷載的前世今生》，實際上也是試圖在說明他們之間的內(nèi)在關(guān)系。

二、《抗規(guī)》管抗震設(shè)計，《鋼標(biāo)》也抗震設(shè)計？是個什么鬼？

從規(guī)范的定位來說，“抗規(guī)”是母規(guī)，常見結(jié)構(gòu)的抗震一般按照《抗規(guī)》或《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50191-2012）（簡稱“構(gòu)抗規(guī)”，工業(yè)等構(gòu)筑物用）進(jìn)行設(shè)計。

鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計，涉及抗震的相關(guān)規(guī)范還有《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99-2015）（簡稱“高鋼規(guī)”），但其抗震的規(guī)定基本與“抗規(guī)”第8章“多高層鋼結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容一脈相承，只是對高層提了一點(diǎn)略高的要求，比較好理解，不存在強(qiáng)烈的沖突感。

但“鋼標(biāo)”的第17章，命名為“鋼結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計”，內(nèi)容與目前《抗規(guī)》規(guī)定的抗震設(shè)計似乎大相徑庭，乍一看還很費(fèi)解（當(dāng)然《抗規(guī)》中也有性能化設(shè)計的原則性內(nèi)容，比較籠統(tǒng)）。

先來看看《鋼標(biāo)》的解釋：

“……不同結(jié)構(gòu)體系和截面特性的鋼結(jié)構(gòu)，彼此間結(jié)構(gòu)延性差異較大，為貫徹國家提出的“鼓勵用鋼、合理用鋼”的經(jīng)濟(jì)政策，根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011及《構(gòu)筑物抗震規(guī)范》GB 50191規(guī)定的抗震設(shè)計原則，針對鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增加了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗震性能化設(shè)計內(nèi)容……”——首先，《鋼標(biāo)》的抗震設(shè)計方法命名為“抗震性能化設(shè)計”，并明確表示是在《抗規(guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》的抗震設(shè)計原則之下制定。那么，可以把《鋼標(biāo)》第17章的抗震設(shè)計方法看作是抗震性能化設(shè)計思路在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和細(xì)化。如果你仔細(xì)一點(diǎn)看《抗規(guī)》，可能還會發(fā)現(xiàn)，在《抗規(guī)》9.2節(jié)鋼結(jié)構(gòu)廠房的部分其實已經(jīng)出現(xiàn)了類似的說法和做法，并且思路也是一脈相承。

“……結(jié)構(gòu)真正的設(shè)防目標(biāo)為設(shè)防地震，但由于結(jié)構(gòu)具有一定的延性，因此無需采用中震彈性的設(shè)計。在滿足一定強(qiáng)度要求的前提下，讓結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震強(qiáng)度最強(qiáng)的時段到來之前，結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件先行屈服，削減剛度，增大結(jié)構(gòu)的周期，使結(jié)構(gòu)的周期與地震波強(qiáng)度最大時段的特征周期避開，從而使結(jié)構(gòu)對地震具有一定程度的免疫功能。這種利用某些構(gòu)件的塑性變形削減地震輸入的抗震設(shè)計方法可降低假想彈性結(jié)構(gòu)的抗震承載力要求?；谶@樣的觀點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計均允許結(jié)構(gòu)在地震過程中發(fā)生一定程度的塑性變形，但塑性變形必須控制在對結(jié)構(gòu)整體危害較小的部位。例如梁端形成塑性鉸是可以接受的……”——這一段描述大家應(yīng)該不陌生，抗震設(shè)計理論從來這么說的：延性和抗震性能息息相關(guān)，要抗震就得說延性。下面的圖1，是鋼結(jié)構(gòu)抗彎截面延性性能的形象表達(dá)——截面等級決定截面的抗彎延性性能，從而決定抗彎結(jié)構(gòu)塑性鉸的延性和耗能能力?！犊挂?guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》中實現(xiàn)這些延性目標(biāo)，都采用的是抗震構(gòu)造措施，并且，是強(qiáng)制性的（《抗規(guī)》9.2節(jié)除外）——這就意味著，《抗規(guī)》和《構(gòu)抗規(guī)》認(rèn)為結(jié)構(gòu)抗震都得用延性，設(shè)計時必須得結(jié)構(gòu)讓備著。

 “另外，對于很多結(jié)構(gòu)，地震作用并不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制因素，其構(gòu)件實際具有的抗震承載力很高，因此抗震構(gòu)造可適當(dāng)降低，從而降低能耗，節(jié)省造價。”——這是導(dǎo)致《鋼標(biāo)》抗震設(shè)計與《抗規(guī)》慣用方法不同的關(guān)鍵所在。做過鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的都知道，按照《抗規(guī)》設(shè)計一個抗震設(shè)防烈度不高的小型鋼結(jié)構(gòu)（比如小框架、小車棚），光那些抗震構(gòu)造措施，會讓你的設(shè)計結(jié)果看上去很豪華！（給業(yè)主質(zhì)疑沒法回答的有木有？回答說“這是規(guī)范規(guī)定”給業(yè)主鄙視的有木有？）

“在能量輸入相同的條件下，結(jié)構(gòu)延性越好，彈性承載力要求越低，反之，結(jié)構(gòu)延性差，則彈性承載力要求高，本規(guī)范簡稱為“高延性-低承載力”和“低延性-高承載力”兩種抗震設(shè)計思路，均可達(dá)成大致相同的設(shè)防目標(biāo)。結(jié)構(gòu)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的延性等級確定對應(yīng)的地震作用的設(shè)計方法，本規(guī)范稱為‘性能化設(shè)計方法’……”——這一段話，把上述幾段話的意思清晰完整地闡述清楚了。即，抗震并不是非得延性，高延性和低延性，都能實現(xiàn)抗震設(shè)防目標(biāo)，結(jié)構(gòu)可以預(yù)設(shè)延性等級進(jìn)行抗震設(shè)計，或者說可以進(jìn)行選擇，怎么合理怎么做。從地震工程學(xué)的理論看，這就是等能量原理（見圖2示例，不同曲線和橫坐標(biāo)圍住的面積相同（表示為能量），不同路徑可實現(xiàn)同樣的抗震目標(biāo)，但對應(yīng)不同的彈性承載力和延性）。于是乎，一個小車棚的抗震設(shè)計也就用不著惡狠狠地整上那么多抗震構(gòu)造措施了，完全可以降低抗震構(gòu)造要求而提高設(shè)計計算的地震作用（如果本來地震作用就不大，加大又何妨？）。順帶著，實際上也把門式剛架這一類結(jié)構(gòu)從沒法按照《抗規(guī)》方法進(jìn)行抗震設(shè)計的尷尬中解放出來了。談到抗震就得說延性，就得耗能，實際上是一條道走慣了而忘記了其它的路，甚至走進(jìn)了死胡同還沒醒悟——這是抗震研究、規(guī)范和設(shè)計認(rèn)識上的一大誤區(qū)。

圖2  強(qiáng)度（彈性承載力）和延性的關(guān)系

那么，反過去再看看，就很清楚了——《抗規(guī)》抗震設(shè)計的前提，是基于延性耗能的原則，認(rèn)為結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下一定進(jìn)入彈塑性，設(shè)防烈度高則延性要求高，房屋高度越高，也是如此。因此，抗震構(gòu)造要求根據(jù)建筑高度和設(shè)防烈度決定的抗震等級來確定。從常規(guī)的建筑物來說，這似乎勉強(qiáng)說得過去（相對而言，當(dāng)然不盡合理）。然而，這畢竟只是硬幣的一個面?！朵摌?biāo)》的抗震性能化設(shè)計，同時給出了硬幣的兩個面，除了“高延性”耗能的抗震設(shè)計途徑，還有“低延性”甚至接近彈性的抗震設(shè)計途徑，從而給了設(shè)計人員充分的自主選擇權(quán)。

三、做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，規(guī)范咋選擇呢？

說了這么多，既然規(guī)范現(xiàn)狀是這樣了，做鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時怎么選擇，怎么執(zhí)行呢？

首先，結(jié)構(gòu)工程師們其實很清楚，如果鋼結(jié)構(gòu)是符合《門規(guī)》適用條件的，那就可以完全按照《門規(guī)》設(shè)計，一條道走到黑，荷載、構(gòu)件計算、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)造、抗震，全部都覆蓋，而且最關(guān)鍵的是，大家對《門規(guī)》很熟悉，設(shè)計結(jié)果也很經(jīng)濟(jì)，屬于喜聞樂見。

其次，如果不符合《門規(guī)》適用條件的鋼結(jié)構(gòu)，那么，按照《鋼標(biāo)》的說法：“抗震設(shè)防的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)，可按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011或《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50191的規(guī)定設(shè)計，也可按本規(guī)范第17章的規(guī)定進(jìn)行性能化設(shè)計。”因此，可按如下途徑之一進(jìn)行設(shè)計：

途徑1：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計，按《抗規(guī)》或《構(gòu)抗規(guī)》進(jìn)行抗震設(shè)計；

途徑2：按《鋼標(biāo)》進(jìn)行靜力設(shè)計，按《鋼標(biāo)》第17章進(jìn)行抗震設(shè)計（尤其是一些地震作用不大，可按“低延性”思路進(jìn)行設(shè)計的結(jié)構(gòu)）。

順便說一句，符合或者是超出《門規(guī)》適用條件的門式剛架，其實都可以按照上述途徑2進(jìn)行設(shè)計，只要選擇“低延性”的抗震設(shè)計思路即可。從這個意義上講，《鋼規(guī)》和《抗規(guī)》沒覆蓋門式剛架，但《鋼標(biāo)》從邏輯上做到了各種類型鋼結(jié)構(gòu)的覆蓋。