《中美标钢结构设计对比分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中美标钢结构设计对比分析.pdf（9页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、中美标钢结构设计对比分析摘要：某项目中采用的钢材为美标钢材，不易采购，造价高且管理风险较高，需要采用中国钢材进行替换。针对此情况，本文采用对比中、美两国规范的计算方法出发，同时分析了中、美规范中钢材的化学成分、受力性能等特性，提出了采用按照强度和刚度等效的原则进行中国钢材替换美国钢材的设计准则，并完成了常用中国型钢和美国型钢的替换表。关键字：钢材国产化设计原理许用应力法1 概述AP1000 技术是我国引进的第三代先进核电堆型，对 AP1000 技术的消化吸收和材料国产化是提高我国自主化设计水平的基础。因此做好结构用钢材国产化的工作具有深远的意义。目前采用中国钢材替换美国钢材存在以下问题：(1)
2、由于美国规范计算方法、钢材的强度取值和中国规范均不相同，需要证明采用中国钢材替换美国钢材，并采用美国规范计算方法得到的结果是安全可靠的。(2)美国规范中钢材和中国钢材的物理特性、型号、化学成份、材料强度、试验方法等规定均不一样，需要证明采用合理的替换原则使得替换后的钢构件具有足够的安全度。(3)美国规范中对钢构件的各种构造要求和中国规范不一样，需要采用适当的措施保证替换后的钢构件满足中国规范要求。本文针对以上三个问题，从规范的计算方法出发，同时分析了中、美规范中钢材的物理特性、化学成分、受力性能等，提出了采用中国钢材替换美国钢材的替换准则。2 计算方法2.1 美国钢结构规范设计方法2.1.1
3、设计原理美国钢结构计算方法：采用容许应力法进行设计。容许应力法为使用比例配置对结构构件进行设计的方法。安全性由一个安全系数 提供。钢材的容许应力值等于钢材的标准强度值除以一个安全系数。2.1-12.1.2 荷载组合根据 SEI/ASCE7 规范 2.4 节和 ANSI-AISC N690 规范 6.3 节要求，抗震类厂房钢结构部分对应的荷载组合如表 2-1 所示：表 2-1 美国规范荷载载组合美国规范荷载组合（许用应力法）组合1234荷载描述恒荷载（D）1.00.001.001.001活荷载（L）1.00.001.001.001风荷载（W）1.00.001.001地震荷载（Es）1.00龙卷风
4、荷载（Wt）1.00应力极限系数（除受压外）.001.001.601.601应力极限系数（受压）1.00.001.401.401根据 AISC-S335-1989 版规范，材料的许用应力取值分为以下几种情形：(1)构件的抗拉、抗压、抗弯许用应力 2.1-2 2.1-3(2)构件的抗剪许用应力Fy 为钢材最小屈服强度。2.2 中国钢结构规范设计方法2.2.1 设计原理除疲劳计算外，钢结构设计标准遵照建筑结构可靠度设计统一标准采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。根据建筑结构荷载规范，对于承载力极限状态，设计表达式见公式 2.2-1。2.2-12.2.2 荷载组合根
5、据压水堆核电厂核安全有关的钢结构设计要求5.1.2 节要求，核安全相关的荷载组合如表 2-2 所示：表 2-2 中国规范荷载组合中国规范荷载组合（分项系数法）组合12345荷载描述恒荷载（D）1.50.501.501.001.001活荷载（L）1.50.501.501.001.001风荷载（W）1.501.00.001地震荷载（E1）1.50地震荷载（E2）1.00龙卷风荷载（Wt）1.00AP1000 设计中运行安全地震动不作为基本的设计工况，为了便于对比，暂不考虑荷载组合 3。钢结构设计标准中规定钢材的设计强度和屈服强度的关系如下：(1)构件的抗拉、抗压、抗弯设计值=1.087，1.111
6、）2.2-2（(2)构件的抗剪设计值=1.732）2.2-3f 为钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值，为钢材抗剪强度设计值,为钢材屈服强度,为材料的抗力系数。2.3 美国规范和中国规范计算方法对比美标规范采用许用应力法，而中国规范采用分项系数法，其中荷载组合系数和材料强度取值都不一样，无法直接比较分析。为了便于对比，做一简化：将中国规范分项系数表达式按照美国规范许用应力法的表达式进行调整，即将荷载分项系数值从公式左侧移至公式右侧，同时将强度设计值都采用屈服强度来表达。简化后的公式如下：2.3-1通过计算，可以得到中国规范和美国规范的计算结果（以 Q345B 钢材为例），计算结果详见表 2-3：表
7、2-3 中国规范和美国规范计算结果对比受力荷载中标安全美标安全美标和中标的比状态组合系数系数值D+L1.6671.6701.002D+L+W抗拉、抗压、抗弯D+L+E21.6671.6701.0021.1111.1931.074D+L+Wt1.1111.1931.074D+L2.5982.5000.962D+L+W抗剪D+L+E22.5982.5000.9621.7321.7861.031D+L+Wt1.7321.7861.031通过上表分析可以得到，如果钢材的屈服强度相同时，除了抗剪计算时，对应于 D+L 和 D+L+W 工况的材料许用应力值按照中国规范计算和按照美国规范计算的比值小于 1.
8、0 外，其他工况材料许用应力值按照中国规范计算和按照美国规范计算的比值均大于 1.0，因此可以证明采用中国钢材替换美国钢材时按照材料屈服强度不减小的原则进行替换是安全可靠的。为保证结构安全性，计算时控制工况 D+L 和 D+L+W 工况下的钢构件抗剪计算应力与许用应力值比值小于 0.8。3 钢材特性分析为了保证材料替换的安全性，我们除了分析计算理论外，还需要对替换的材料进行对比分析，分别从钢材的化学成份、钢材的延性、钢材的强度、钢材的可焊性等因素进行对比分析，在考虑各种因素的基础上，进行全面的关系替换。3.1 钢材化学成分对比某项目中附属厂房主要采用的美国钢材有以下几种：A36、A572，中国
9、常用钢材为 Q235、Q345、Q390。经过对比可以看出：中国规范中碳素结构钢材料有害化学成分含量的比美国规范低,高强度低合金钢有害化学成份含量和美标规范基本相当。3.2 钢材的可焊性和延性对比A36 没有明确规定型钢是否可焊，AWSD1.1/D1.1M 中明确碳钢可以焊接。中国规范规定，结构用钢材 Q235、Q345、Q390 可以焊接。美国规范中以碳素结构用型钢的断后伸长率作为反映钢材延性的指标。A36 规定了厚度为 8in(200mm)和2in(50mm)钢材的断后伸长率。中国规范根据钢材厚度分别规定了小于 40mm，4060mm，60100mm,100150mm，150200mm 五
10、种钢材的的断后伸长率。经过分析发现中国钢材 Q235 钢材的延性要好于美标 A36 钢材，中国钢材 Q345 的延性要好于美国钢材 A572 和 A500，与本报告中钢材化学成分分析结果相符。3.3 钢材强度对比经过分析，发现 A36 钢材的屈服强度略高于 Q235B；钢材厚度不大于 16mm 时，A572（50 级）钢材的屈服强度和 Q345B 一致，钢材厚度大于 16mm 时，A572（50级）钢材的屈服强度和 Q390B 一致。3.4 钢材物理特性对比经过对比，中国钢材的弹性模量和剪切模量均稍高于美国钢材，而密度和泊松比基本一致。3.5 构造要求对比美国规范对钢构件各种构造要求和中国规范
11、不一致，通过对比发现中国规范的各种构造要求更高，因此采用中国钢材替换后钢构件需要按照中国规范进行校核，如果不满足规范要求的，需要相应增大替换构件截面。4 中美钢材代换对原则通过以上分析，现形成美国钢材和中国钢材替换原则为：采用等强度等刚度原则替换，并保证替换后的钢构件满足中国规范的相关构造要求。为保证替换后的钢构件安全性，同时采用 GTSTRUDL 软件进行计算校核。根据以上对比结果形成中国钢材和美国钢材替换表格，详见表 4-1表 4-1 美国材料和中国材料替换表种类美国材料型号中国材料型号Q235B（非受力构件）ASTM A36Q345B（受力构钢材Q345B（16mm）ASTM A572（
12、50级）Q390B（16mm）件）5 结论本文针对 AP1000 堆型核电站设计中出现的需要采用中国钢材替换美国钢材的实际问题，通过分析对比美国规范和中国规范的计算原理和方法，分析美国钢材和中国钢材的特性参数等，进而得到一种安全可靠且易于应用的钢材替换设计方法和中美型钢替换表，为后续项目的国产化工作奠定了坚实的基础。参考文献1钢结构设计标准 GB50017-2017S 北京：中国建筑工业出版社，2017.2核电厂抗震设计规范 GB 50267-2019S 北京：中国计划出版社，2019.3压水堆核电厂核安全有关的钢结构设计要求（NB/T 20011-2010）S北京：国家能源局 2019.土建设计所工程设计