7章钢结构及钢构件的可持续发展 307 7.1生命周期的观点 308 7.2建筑物生命周期评价·： :308 7.2.1一般方法与分析工具 308 7.2.2LCA的标准框架... 309 7.2.3建筑工程生命周期评价的欧洲标准 316 7.3钢结构的可持续性和生命周期评价 321 7.3.1钢材的生产 321 7.3.2回收利用材料的分配和模块D 321 7.3.3钢结构生命周期评价的数据和工具 7.4钢产品生命周期评价 328 7.4.1实例 328 7.5建筑钢结构的生命周期评价 334 7.5.1实例 ·334 参考文献 录A宏观部件的详细数据 345 349

第7章钢结构及钢构件的可持续发展·

施工安全资料附录A宏观部件的详细数据 附录B宏观部件的详细输出

欧洲规范：建筑钢结构设计应用与实例

欧盟已经用了几十年时间（自1975年）来发展和统一结构设计规范，最终形成了一 套欧洲的标准，称为欧洲规范（Eurocodes），并于最近得到各成员国的认可。 建筑产品规程规定了所有建设工程都必须满足的基本要求，即：①承载力和稳定性； ②耐火性；③卫生、健康及环境要求；④使用安全；③防噪声；③节能和保温；?可持续 生。通过以下9本欧洲结构规范来保证前两个要求，这9本欧洲结构规范由欧洲标准化委 员会（CEN）技术委员会（CEN/TC250）制定： ·《EN1990欧洲规范：结构设计基础》； ·《EN1991欧洲规范1：结构上的作用》； ·《EN1992欧洲规范2：混凝土结构设计》； ·《EN1993欧洲规范3：钢结构设计》； ·《EN1994欧洲规范4：钢混组合结构设计》； ·《EN1995欧洲规范5：木结构设计》； ·《EN1996欧洲规范6：砌体结构设计》； ·《EN1997欧洲规范7：岩土工程设计》； ·《EN1998欧洲规范8：结构抗震设计》； ·《EN1999欧洲规范9：铝结构设计》。 每本欧洲规范都包含留给各个国家自主确定的条款。这些条款包括气候因素、地震分 区、安全问题等，统称为国家确定参数（NDP）。各成员国负责在每本欧洲规范的国家附 录中规定国家自主化参数

1.1.3.1基本概念

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条件达到要求。通过以下条件满足这些基本要求：①选择合适的材料；②对结构及其组件 进行适当的设计和细节描述；③设计、执行和使用期间控制过程规范 极限状态与设计状况有关，应考虑结构在什么情况下满足其功能要求。根据规范EN 1990（2002），这些状况可能是：①持久设计状况（结构的正常使用情况）；②短暂设计状 况（短暂状况）；③偶然设计状况（异常状况，如火灾或爆炸）；④地震设计状况。疲劳之 类的时变效应应与结构的设计使用年限有关。 承载能力极限状态（ULS）对应危害人身安全的结构破坏状态，通常应考虑下列承 载能力极限状态：结构作为刚体失去平衡、过度变形导致的破坏、结构或自成体系的某部 分结构的转换、断裂、失稳和疲劳或其他时变效应引起的破坏。 正常使用极限状态（SLS）对应于超过具体使用条件的状态，如结构的功能、舒适度 和外观不再满足要求；在钢结构中，通常考虑变形和振动极限状态。 一般情况下，通过规范EN1990中第6章的分项系数法满足极限状态设计要求，也 可用规范EN1990附录C直接基于概率的设计方法。 在设计过程中，必须确定施加在结构上的荷载和正确定义材料的力学和几何性能。随 后的各部分将描述这些内容。 根据规范EN1990中第5章的总体要求，必须通过合理的结构分析得到设计状况下 的荷载效应。 对于如下情况的结构设计：①没有计算模型可用；②使用大量相似的构件；③为了确 认结构或组件的设计，规范EN1990（附录D）允许使用试验辅助设计方法。然而，试验 铺助设计结果应达到相关设计状况的可靠度水平要求

1. 1.3.2 基本变量

结构的极限状态设计涉及的基本变量包括结构、结构构件和节点上的作用、材料性能 和几何数据。 当使用分项系数法时，对于所有相关的设计状况，应验证设计模型中作用或作用效应 和承载力取设计值时，没有超过相关的极限状态。

结构上的作用可根据其随时间的变化进行分类：①永久作用（自重、固定设备等）； ②可变作用（楼面荷载、风荷载、地震作用和雪荷载）；③偶然作用（爆炸或冲击荷载）。 地震作用和雪荷载之类的某些作用可根据地理位置归类为可变或偶然作用。作用也可按以 下情况进行分类：①起因（直接的或间接的）；②空间变化（固定的或自由的）；③性质 （静态的或动态的）。 对于选定的设计状况，应根据规范EN1990对临界荷载工况的各个作用进行组合。 按作用的设计值进行荷载组合。作用设计值Fa由代表值Frep得到，通常采用其特征值 Fk，考虑适当的分项安全系数Yf通过下式确定：

根据统计分布，作用（永久、可变或偶然作用）的特征值应为平均值、上下限或标准

值；对于可变作用，还要定义其他代表值：组合值、频遇值和准永久值，这些值由特征值 分别通过系数亚。、亚和亚2得到。这些系数根据作用和结构的类型定义。 作用的设计效应如内力（轴力、弯矩、剪力等）采用规范EN1990相关章节规定的 设计值和作用组合通过适当的分析得到。 环境因素可能会影响钢结构耐久性，所以应考虑材料的选择、表面保护和细部设计。 钢结构设计中所有作用的分类和取值，包括更具体的事例，如地震作用或火灾作用 应根据规范EN1990和EN1991的相关部分确定。

4儿何数据 必须足够准确地确定结构及其部件的几何尺寸。几何数据应采用其特征值表示，或其 设计值直接表示。几何数据的设计值，如用于确定作用效应和承载力的构件的尺寸，一般 取标准值。然而，涉及尺寸和形状的几何数据必须符合适用标准的公差。 主要热轧产品有：工字型钢和H型钢、箱形钢、管状形钢、T型钢、角钢、板等。 也可获得由不同截面配置的焊接截面。通过冷轧过程可制造出多种多样的截面。

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1.1.3.3承载能力极限状态

一般情况下，结构的承载能力极限状态是指失去静力平衡的状态、内部结构或其构件 和节点失效的状态、基础变形过大或破坏和疲劳破坏的状态。在钢结构中，承载能力极限 状态指内部破坏的状态，包括截面承载力达到极限、结构及其构件的失稳现象以及节点承 载力达到极限。 通常，承载能力极限状态的验证条件为

1.1.3.4正常使用极限状态

如前所述，正常使用极限状态对应于某个状态，超过这一状态特定的使用条件不再有 效。钢结构经常考虑变形和振动的极限状态。 正常使用极限状态的验证条件为：

1. 1.3.5 耐久性

耐久性取决于腐蚀的影响、机械磨损和疲劳状态。因此，最敏感的部分应易于使用、检 查、操作和维护。 当建筑结构不受相关循环荷载作用时，无须考虑抗疲劳性能；若是承受电梯、翻滚桥 或机器振动产生的荷载，则需考虑。 钢结构的耐久性本质上取决于其对腐蚀的防护能力。腐蚀是钢降解的化学过程，常发 生于潮湿、有氧和存在污染物的环境，

L. 1.3.6 可持续性

L. 2. 2. 1概述

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1.2.2.2框架结构稳定性

1.概还 和其他材料建造的结构相比，钢结构通常是细长结构，不稳定现象是潜在的问题，因 此有必要验证结构或结构某部分的整体稳定性。验证时要求考虑缺陷，进行二阶分析「第 5.2.2（2）款。可使用多种方法来分析二阶效应包括缺陷。根据规范第5.2.2（3）款 通常按下列三种方法对不同的分析过程进行分类： （1）整体分析直接考虑所有缺陷（几何和材料）和所有二阶效应（方法1）； （2）整体分析考虑部分缺陷（整体结构缺陷）和二阶效应（整体效应），而单个构件 的稳定性验算（第6.3节）从本质上考虑构件缺陷和局部二阶效应（方法2）；

图1.2典型的位移和△

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

(1.4) (1.5)

值得注意的是，进行塑性分析时给定αcr一个更大的限值，这是因为承载能力极限状态中 非线性材料性能可能会对结构的性能产生显著影响（如框架形成塑性铰，弯矩重分配；或 者半刚性节点处产生显著的非线性变形）。规范EC3允许国家附录中对某些种类框架的 cr给定一个已经用更精确方法验证了的较低的限值。 结构的弹性临界载荷Fcr可通过分析、数值模拟、使用商业软件等方式来确定。另 外，临界荷载可采用近似方法计算（SimoesdaSilva等，2013）

结构的二阶分析总是需要用到计算方法：包括逐步计算或使用其他送代方法工第 5.2.2（4）款。结果的收敛性应通过对几何非线性计算施加适当的误差范围进行明确的 检查。最后，结果应和相关的一阶弹性分析对比，以确保放大的内力和位移是在预期范 围内。 为加快计算速度，提出了一些近似方法。很多情况下这些近似方法能在可接受误差范 围内对精确解进行估算。通常的做法是对结构屈曲模态线性组合分析得到的一阶结果进行 放大（SimoesdaSilva等，2013），如下面易发生侧向失稳框架的计算公式：

式中，下标ap表示近似，AS表示反对称“侧移”，d、M、V和N分别表示位移、弯矩 剪力和轴力。 此过程提供了确定二阶效应的几个简化方法的总体框架，必要时允许塑性的发展

1. 2. 2.3缺陷

不论采取何种措施建造钢结构，总会存在缺陷，如残余应力、偏心节点、偏心荷载、

1.2.2.4截面的分类

截面局部屈曲会影响其承载力和转动能力，设计中必须加以考虑。评估截面局部屈曲 对钢构件承载力或延性的影响是一个复杂的过程。因此，提出了一种截面分类后默认满足 要求的方法，从而使问题大大简化。 根据第5.5.2（1）款，依据截面的转动能力和形成塑性铰的能力定义了四类截面： （1）第1类截面为能够形成具有塑性分析所要求转动能力的塑性铰，而不降低承载力 的截面； （2）第2类截面为能够产生塑性抵抗矩，但由于局部屈曲的限制，具有有限转动能力 的截面； （3）第3类截面为假定应力弹性分布的情况下，钢构件最大压应力可达到屈服强度的 截面。然而，局部屈曲有可能阻碍塑性抵抗矩的发展：

（4）第4类截面为截面的一个或多个区 域达到屈服应力前就会发生局部屈曲的 截面。 四种类型截面构件的弯曲性能如图1.3 所示，图中Me和Mp分别为截面的弹性弯 矩和塑性弯矩。 截面的分类取决于受压部分的宽厚比 c/t［第5.5.2（3）款、所受内力及钢材等 级。受压部分包括所考虑荷载组合下截面 上完全或部分受压的每一部分「第5.5.2

图1.3截面的弯曲性能

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内部受压区宽厚比的最大限值

内部受压区宽厚比的最大限值

注：表示当压应力f./E时，取一1。

突出翼缘宽厚比的最大限值

代多层办公楼，1993年建于英国卡丁顿。

多层公按， 该建筑的面积为21m×45m，总高33m。 沿长度方向有5跨，每跨9m。沿宽度方向3 跨，跨度分别为6m、9m、6m。该建筑共8 层，首层从地面到楼面的高度为4.335m 其他各层楼面到上层楼面的高度均 为4.135m。 南立面有一个两层高的中庭，尺寸为 9mX8m。建筑物每侧均有4m×4.5m的通 道，提供消防通道和逃生楼梯间。另外，西 侧有一个4m×2m的货梯通道。建筑物中间 部位有9m×2.5m的中心电梯井。图1.5为 该建筑典型的楼层平面图。所有楼板均为 130mm厚的轻质复合板。

L.2.3.2结构说明

这是一个支撑框架结构，通过在三个垂 直通道周边设置平面钢板交叉支撑来提供侧 向约束。图 1. 6~图 1.8与表 1. 4~表 1. 6分

为不同结构层的平面图和梁的几何特征

图1.5三层和七层楼层平面图

梁的几何特征（首层）

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梁的几何特征（二层）

梁的几何特征（三层一八层）

.2.3.3通用安全标准、作用和作用组合

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排水管道标准规范范本2.永久作用 永久作用包括结构构件和非结构构件的重量。结构构件自重包括钢材重量（ m3）和厚度为130mm的轻质混凝土板的重量（12.5kN/m）。非结构构件包括 隔板、保温材料等。

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

（1.10) (1.11)

中，CsCa为结构系数，Aref为各表面的参考面积，we和w;分别为基准高度。和zi 用在各表面的外压和内压，外压和内压分别由式（1.12）和式（1.13）确定

气象标准(1.12) (1. 13)

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