7章鋼結構及鋼構件的可持續(xù)發(fā)展 307 7.1生命周期的觀點 308 7.2建筑物生命周期評價·： :308 7.2.1一般方法與分析工具 308 7.2.2LCA的標準框架... 309 7.2.3建筑工程生命周期評價的歐洲標準 316 7.3鋼結構的可持續(xù)性和生命周期評價 321 7.3.1鋼材的生產(chǎn) 321 7.3.2回收利用材料的分配和模塊D 321 7.3.3鋼結構生命周期評價的數(shù)據(jù)和工具 7.4鋼產(chǎn)品生命周期評價 328 7.4.1實例 328 7.5建筑鋼結構的生命周期評價 334 7.5.1實例 ·334 參考文獻 錄A宏觀部件的詳細數(shù)據(jù) 345 349

第7章鋼結構及鋼構件的可持續(xù)發(fā)展·

施工安全資料附錄A宏觀部件的詳細數(shù)據(jù) 附錄B宏觀部件的詳細輸出

歐洲規(guī)范：建筑鋼結構設計應用與實例

歐盟已經(jīng)用了幾十年時間（自1975年）來發(fā)展和統(tǒng)一結構設計規(guī)范，最終形成了一 套歐洲的標準，稱為歐洲規(guī)范（Eurocodes），并于最近得到各成員國的認可。 建筑產(chǎn)品規(guī)程規(guī)定了所有建設工程都必須滿足的基本要求，即：①承載力和穩(wěn)定性； ②耐火性；③衛(wèi)生、健康及環(huán)境要求；④使用安全；③防噪聲；③節(jié)能和保溫；?可持續(xù) 生。通過以下9本歐洲結構規(guī)范來保證前兩個要求，這9本歐洲結構規(guī)范由歐洲標準化委 員會（CEN）技術委員會（CEN/TC250）制定： ·《EN1990歐洲規(guī)范：結構設計基礎》； ·《EN1991歐洲規(guī)范1：結構上的作用》； ·《EN1992歐洲規(guī)范2：混凝土結構設計》； ·《EN1993歐洲規(guī)范3：鋼結構設計》； ·《EN1994歐洲規(guī)范4：鋼混組合結構設計》； ·《EN1995歐洲規(guī)范5：木結構設計》； ·《EN1996歐洲規(guī)范6：砌體結構設計》； ·《EN1997歐洲規(guī)范7：巖土工程設計》； ·《EN1998歐洲規(guī)范8：結構抗震設計》； ·《EN1999歐洲規(guī)范9：鋁結構設計》。 每本歐洲規(guī)范都包含留給各個國家自主確定的條款。這些條款包括氣候因素、地震分 區(qū)、安全問題等，統(tǒng)稱為國家確定參數(shù)（NDP）。各成員國負責在每本歐洲規(guī)范的國家附 錄中規(guī)定國家自主化參數(shù)

1.1.3.1基本概念

歐洲規(guī)范：建筑鋼結構設計應用與實例

條件達到要求。通過以下條件滿足這些基本要求：①選擇合適的材料；②對結構及其組件 進行適當?shù)脑O計和細節(jié)描述；③設計、執(zhí)行和使用期間控制過程規(guī)范 極限狀態(tài)與設計狀況有關，應考慮結構在什么情況下滿足其功能要求。根據(jù)規(guī)范EN 1990（2002），這些狀況可能是：①持久設計狀況（結構的正常使用情況）；②短暫設計狀 況（短暫狀況）；③偶然設計狀況（異常狀況，如火災或爆炸）；④地震設計狀況。疲勞之 類的時變效應應與結構的設計使用年限有關。 承載能力極限狀態(tài)（ULS）對應危害人身安全的結構破壞狀態(tài)，通常應考慮下列承 載能力極限狀態(tài)：結構作為剛體失去平衡、過度變形導致的破壞、結構或自成體系的某部 分結構的轉換、斷裂、失穩(wěn)和疲勞或其他時變效應引起的破壞。 正常使用極限狀態(tài)（SLS）對應于超過具體使用條件的狀態(tài)，如結構的功能、舒適度 和外觀不再滿足要求；在鋼結構中，通常考慮變形和振動極限狀態(tài)。 一般情況下，通過規(guī)范EN1990中第6章的分項系數(shù)法滿足極限狀態(tài)設計要求，也 可用規(guī)范EN1990附錄C直接基于概率的設計方法。 在設計過程中，必須確定施加在結構上的荷載和正確定義材料的力學和幾何性能。隨 后的各部分將描述這些內(nèi)容。 根據(jù)規(guī)范EN1990中第5章的總體要求，必須通過合理的結構分析得到設計狀況下 的荷載效應。 對于如下情況的結構設計：①沒有計算模型可用；②使用大量相似的構件；③為了確 認結構或組件的設計，規(guī)范EN1990（附錄D）允許使用試驗輔助設計方法。然而，試驗 鋪助設計結果應達到相關設計狀況的可靠度水平要求

1. 1.3.2 基本變量

結構的極限狀態(tài)設計涉及的基本變量包括結構、結構構件和節(jié)點上的作用、材料性能 和幾何數(shù)據(jù)。 當使用分項系數(shù)法時，對于所有相關的設計狀況，應驗證設計模型中作用或作用效應 和承載力取設計值時，沒有超過相關的極限狀態(tài)。

結構上的作用可根據(jù)其隨時間的變化進行分類：①永久作用（自重、固定設備等）； ②可變作用（樓面荷載、風荷載、地震作用和雪荷載）；③偶然作用（爆炸或沖擊荷載）。 地震作用和雪荷載之類的某些作用可根據(jù)地理位置歸類為可變或偶然作用。作用也可按以 下情況進行分類：①起因（直接的或間接的）；②空間變化（固定的或自由的）；③性質 （靜態(tài)的或動態(tài)的）。 對于選定的設計狀況，應根據(jù)規(guī)范EN1990對臨界荷載工況的各個作用進行組合。 按作用的設計值進行荷載組合。作用設計值Fa由代表值Frep得到，通常采用其特征值 Fk，考慮適當?shù)姆猪棸踩�系�?shù)Yf通過下式確定：

根據(jù)統(tǒng)計分布，作用（永久、可變或偶然作用）的特征值應為平均值、上下限或標準

值；對于可變作用，還要定義其他代表值：組合值、頻遇值和準永久值，這些值由特征值 分別通過系數(shù)亞。、亞和亞2得到。這些系數(shù)根據(jù)作用和結構的類型定義。 作用的設計效應如內(nèi)力（軸力、彎矩、剪力等）采用規(guī)范EN1990相關章節(jié)規(guī)定的 設計值和作用組合通過適當?shù)姆治龅玫健?環(huán)境因素可能會影響鋼結構耐久性，所以應考慮材料的選擇、表面保護和細部設計。 鋼結構設計中所有作用的分類和取值，包括更具體的事例，如地震作用或火災作用 應根據(jù)規(guī)范EN1990和EN1991的相關部分確定。

4兒何數(shù)據(jù) 必須足夠準確地確定結構及其部件的幾何尺寸。幾何數(shù)據(jù)應采用其特征值表示，或其 設計值直接表示。幾何數(shù)據(jù)的設計值，如用于確定作用效應和承載力的構件的尺寸，一般 取標準值。然而，涉及尺寸和形狀的幾何數(shù)據(jù)必須符合適用標準的公差。 主要熱軋產(chǎn)品有：工字型鋼和H型鋼、箱形鋼、管狀形鋼、T型鋼、角鋼、板等。 也可獲得由不同截面配置的焊接截面。通過冷軋過程可制造出多種多樣的截面。

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1.1.3.3承載能力極限狀態(tài)

一般情況下，結構的承載能力極限狀態(tài)是指失去靜力平衡的狀態(tài)、內(nèi)部結構或其構件 和節(jié)點失效的狀態(tài)、基礎變形過大或破壞和疲勞破壞的狀態(tài)。在鋼結構中，承載能力極限 狀態(tài)指內(nèi)部破壞的狀態(tài)，包括截面承載力達到極限、結構及其構件的失穩(wěn)現(xiàn)象以及節(jié)點承 載力達到極限。 通常，承載能力極限狀態(tài)的驗證條件為

1.1.3.4正常使用極限狀態(tài)

如前所述，正常使用極限狀態(tài)對應于某個狀態(tài)，超過這一狀態(tài)特定的使用條件不再有 效。鋼結構經(jīng)常考慮變形和振動的極限狀態(tài)。 正常使用極限狀態(tài)的驗證條件為：

1. 1.3.5 耐久性

耐久性取決于腐蝕的影響、機械磨損和疲勞狀態(tài)。因此，最敏感的部分應易于使用、檢 查、操作和維護。 當建筑結構不受相關循環(huán)荷載作用時，無須考慮抗疲勞性能；若是承受電梯、翻滾橋 或機器振動產(chǎn)生的荷載，則需考慮。 鋼結構的耐久性本質上取決于其對腐蝕的防護能力。腐蝕是鋼降解的化學過程，常發(fā) 生于潮濕、有氧和存在污染物的環(huán)境，

L. 1.3.6 可持續(xù)性

L. 2. 2. 1概述

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1.2.2.2框架結構穩(wěn)定性

1.概還 和其他材料建造的結構相比，鋼結構通常是細長結構，不穩(wěn)定現(xiàn)象是潛在的問題，因 此有必要驗證結構或結構某部分的整體穩(wěn)定性。驗證時要求考慮缺陷，進行二階分析「第 5.2.2（2）款。可使用多種方法來分析二階效應包括缺陷。根據(jù)規(guī)范第5.2.2（3）款 通常按下列三種方法對不同的分析過程進行分類： （1）整體分析直接考慮所有缺陷（幾何和材料）和所有二階效應（方法1）； （2）整體分析考慮部分缺陷（整體結構缺陷）和二階效應（整體效應），而單個構件 的穩(wěn)定性驗算（第6.3節(jié)）從本質上考慮構件缺陷和局部二階效應（方法2）；

圖1.2典型的位移和△

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αcr=Fcr/FEd≤10（彈性分析） αcr=Fcr/Fe≤15（塑性分析）

(1.4) (1.5)

值得注意的是，進行塑性分析時給定αcr一個更大的限值，這是因為承載能力極限狀態(tài)中 非線性材料性能可能會對結構的性能產(chǎn)生顯著影響（如框架形成塑性鉸，彎矩重分配；或 者半剛性節(jié)點處產(chǎn)生顯著的非線性變形）。規(guī)范EC3允許國家附錄中對某些種類框架的 cr給定一個已經(jīng)用更精確方法驗證了的較低的限值。 結構的彈性臨界載荷Fcr可通過分析、數(shù)值模擬、使用商業(yè)軟件等方式來確定。另 外，臨界荷載可采用近似方法計算（SimoesdaSilva等，2013）

結構的二階分析總是需要用到計算方法：包括逐步計算或使用其他送代方法工第 5.2.2（4）款。結果的收斂性應通過對幾何非線性計算施加適當?shù)恼`差范圍進行明確的 檢查。最后，結果應和相關的一階彈性分析對比，以確保放大的內(nèi)力和位移是在預期范 圍內(nèi)。 為加快計算速度，提出了一些近似方法。很多情況下這些近似方法能在可接受誤差范 圍內(nèi)對精確解進行估算。通常的做法是對結構屈曲模態(tài)線性組合分析得到的一階結果進行 放大（SimoesdaSilva等，2013），如下面易發(fā)生側向失穩(wěn)框架的計算公式：

式中，下標ap表示近似，AS表示反對稱“側移”，d、M、V和N分別表示位移、彎矩 剪力和軸力。 此過程提供了確定二階效應的幾個簡化方法的總體框架，必要時允許塑性的發(fā)展

1. 2. 2.3缺陷

不論采取何種措施建造鋼結構，總會存在缺陷，如殘余應力、偏心節(jié)點、偏心荷載、

1.2.2.4截面的分類

截面局部屈曲會影響其承載力和轉動能力，設計中必須加以考慮。評估截面局部屈曲 對鋼構件承載力或延性的影響是一個復雜的過程。因此，提出了一種截面分類后默認滿足 要求的方法，從而使問題大大簡化。 根據(jù)第5.5.2（1）款，依據(jù)截面的轉動能力和形成塑性鉸的能力定義了四類截面： （1）第1類截面為能夠形成具有塑性分析所要求轉動能力的塑性鉸，而不降低承載力 的截面； （2）第2類截面為能夠產(chǎn)生塑性抵抗矩，但由于局部屈曲的限制，具有有限轉動能力 的截面； （3）第3類截面為假定應力彈性分布的情況下，鋼構件最大壓應力可達到屈服強度的 截面。然而，局部屈曲有可能阻礙塑性抵抗矩的發(fā)展：

（4）第4類截面為截面的一個或多個區(qū) 域達到屈服應力前就會發(fā)生局部屈曲的 截面。 四種類型截面構件的彎曲性能如圖1.3 所示，圖中Me和Mp分別為截面的彈性彎 矩和塑性彎矩。 截面的分類取決于受壓部分的寬厚比 c/t［第5.5.2（3）款、所受內(nèi)力及鋼材等 級。受壓部分包括所考慮荷載組合下截面 上完全或部分受壓的每一部分「第5.5.2

圖1.3截面的彎曲性能

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內(nèi)部受壓區(qū)寬厚比的最大限值

內(nèi)部受壓區(qū)寬厚比的最大限值

注：表示當壓應力f./E時，取一1。

突出翼緣寬厚比的最大限值

代多層辦公樓，1993年建于英國卡丁頓。

多層公按， 該建筑的面積為21m×45m，總高33m。 沿長度方向有5跨，每跨9m。沿寬度方向3 跨，跨度分別為6m、9m、6m。該建筑共8 層，首層從地面到樓面的高度為4.335m 其他各層樓面到上層樓面的高度均 為4.135m。 南立面有一個兩層高的中庭，尺寸為 9mX8m。建筑物每側均有4m×4.5m的通 道，提供消防通道和逃生樓梯間。另外，西 側有一個4m×2m的貨梯通道。建筑物中間 部位有9m×2.5m的中心電梯井。圖1.5為 該建筑典型的樓層平面圖。所有樓板均為 130mm厚的輕質復合板。

L.2.3.2結構說明

這是一個支撐框架結構，通過在三個垂 直通道周邊設置平面鋼板交叉支撐來提供側 向約束。圖 1. 6~圖 1.8與表 1. 4~表 1. 6分

為不同結構層的平面圖和梁的幾何特征

圖1.5三層和七層樓層平面圖

梁的幾何特征（首層）

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梁的幾何特征（二層）

梁的幾何特征（三層一八層）

.2.3.3通用安全標準、作用和作用組合

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排水管道標準規(guī)范范本2.永久作用 永久作用包括結構構件和非結構構件的重量。結構構件自重包括鋼材重量（ m3）和厚度為130mm的輕質混凝土板的重量（12.5kN/m）。非結構構件包括 隔板、保溫材料等。

Fw,e = Cscd ZWeAref 表面 Fw.i = wiAref 表面

（1.10) (1.11)

中，CsCa為結構系數(shù)，Aref為各表面的參考面積，we和w;分別為基準高度。和zi 用在各表面的外壓和內(nèi)壓，外壓和內(nèi)壓分別由式（1.12）和式（1.13）確定

氣象標準(1.12) (1. 13)

We=qp(ze)cpe W; =q(z;)Cpi