中美钢结构设计标准GB50017和AISC360的技术内容

结合对中美钢结构设计标准GB 50017和AISC 360的理解和应用，对两个标准有关焊接连接的相关内容进行分析和比较，有助于从业人员准确掌握和理解两个技术标准要求，合理运用设计标准规定指导钢结构工程设计。

焊接连接是建筑钢结构连接的主要形式。 GB 50017和AISC 360对焊接连接的焊缝形式、焊接材料、承载力计算方法、连接结构要求等都有详细规定。 本文对相关技术内容和要求进行讨论和比较。

研究内容

研究内容

1 焊接连接的基本计算方法

GB 50017采用基于概率论的极限状态设计方法，通过部分系数表达式计算承载能力状态和正常使用极限状态。 评价焊接连接安全性的一般表达式为：

使用AISC 360计算建筑钢结构焊接连接的关键步骤是确定构件或连接的名义承载力Rnw，并根据构件或连接的不同应力状态和失效模式指定相应的Φ或Ω值。组件或连接。

美国 AISC 360 同时使用国际公制和美国英制计算单位。 基本长度单位为in或mm（1in≈25.4mm）； 应力和强度的单位为ksi或MPa（1ksi≈6.895MPa）。 结构钢、螺栓、螺柱、铆钉的材料性能要求符合美国试验与材料协会相应的技术标准。焊接材料性能要求符合美国焊接协会的要求

技术标准。

2 焊接连接形式

GB 50017和AISC 360推荐的主要焊接形式是对接焊缝和角焊缝，以及槽焊缝和塞焊缝。 对接焊缝可以是全熔透焊缝或部分熔透焊缝，角焊缝可以是连续焊缝或间断焊缝，槽焊缝和塞焊缝只能用于搭接连接以承受剪切或用于避免层压板屈曲或分离的连接。

美国AWS D1.1/D1.1M《钢结构焊接规范》和我国GB 50661-2011《钢结构焊接规范》涵盖了焊接材料、坡口形式、结构要求、焊接工艺、焊接质量检验方法等。 详细规定已经出台。

3 对焊连接设计

3.1 对焊连接结构要求

对接焊缝的承载能力主要与坡口形式、焊缝计算长度lw、焊缝厚度he等参数有关。 AISC 360和GB 50017规定，全熔透对接焊缝的有效焊缝厚度应为两块连接板中较大的厚度。 薄板厚度t1和部分熔透对接焊缝的有效焊缝厚度he与焊缝坡口形式有关。 GB50017规定他一般取槽深s。 对于夹角约为45°的V形坡口，取he=s -3mm，AISC 360还要求限制部分熔透对接焊缝的最小有效焊缝厚度（表1）。

4 角焊缝连接设计

4.1 角焊缝连接施工要求

角焊缝的结构要求是实现焊缝可靠传力、保证焊缝计算承载力与实际应力状态一致的必要条件。 角焊缝的主要参数是焊脚尺寸hf（在AISC 360中用w表示）和焊缝的计算长度lw（在AISC 360中用l表示）。 GB 50017和AISC 360提出了相同的最小焊脚尺寸hf,min(wmin)限值要求(表4)，沿母材边缘的搭接焊缝的最大焊脚尺寸hf,max(wmax)也做出相同规定极限：当板材厚度不大于6mm（1/4in）时，应为基材的厚度； 当板厚大于6mm（1/4in）时，应为基材厚度减去2mm（1/16in）。

4.2 角焊缝连接承载能力计算

AISC 360计算角焊缝承载能力时，需计算焊缝处母材承载能力 φ RnBM 或 RnBM/Ω，焊接材料承载能力 φRnw 或 Rnw/ Ω 和角焊缝的承载能力，以较大者为准。 小值，即 ΦRn=min( ΦRnBM, Φ Rnw) 或 Rn/ Ω =min( RnBM/ Ω , Rnw/ Ω )，但对于不同应力状态的角焊缝规定了相应的 Φ 和 Ω 值，并且母材名义承载力RnBM和焊接材料名义承载力Rnw的计算方法。

当力N平行于焊缝时，称为正面角焊缝，其强度按式（20）计算：

式中：βf为正面角焊缝强度设计值增加系数，静力分析取βf=1.22。

4.3 塞焊和槽焊连接的计算

GB 50017和AISC 360均采用角焊缝的剪切强度指数来计算圆塞焊缝、槽塞焊缝以及圆孔或槽内的角焊缝。 AISC 360按式（16）计算圆形塞焊缝和坡口塞焊缝的名义承载力R nw ，将圆形塞焊缝和坡口塞焊缝的有效面积Awe取为塞的横截面积焊孔或坡口焊孔的面积，GB 50017按式（21）计算圆形塞焊和坡口塞焊的强度。

式中：Aw为塞焊圆孔或槽孔的面积，mm^2。

4.4 角焊缝连接示例及讨论

结合图4所示的三面角焊缝盖板拼接节点，采用GB 50017和AISC 360计算焊缝的承载能力。 钢材材质为Q345，采用E50焊条，配套性强。 拼接钢板宽度B=400mm，厚度t=20mm，盖板长度2l=600mm，宽度b=360mm，厚度t1=12mm，焊接角尺寸hf = 10 毫米。

图4 角焊缝拼接节点

综上所述

结论

本文对我国GB 50017-2017《钢结构设计标准》和美国AISC 360-16《建筑钢结构标准》中钢结构焊接连接的基本规定和设计方法进行了描述和总结，并对GB 50017和AISC进行了分析和比较360规定了焊缝形式、结构要求、计算方法等，主要结论如下：

1）GB 50017和AISC 360推荐的钢结构焊接连接的结构形式完全相同，即熔透对接焊缝、部分熔透对接焊缝、角焊缝、塞焊缝和槽焊缝。 GB50017和AISC 360对于各种焊接连接形式也有基本相同的结构要求。

2）GB 50017提出了熔透对接焊缝的一、二、三级质量检验等级要求，并采用不同的焊缝设计强度指标。 AISC 360没有规定熔透对接焊缝的质量等级差异，但根据结构的重要性需要进行焊接质量无损检测（NDT）。

3）AISC 360规定，如果采用相匹配的焊接材料和焊接工艺，熔透对接焊缝可达到与母材相同的强度。 GB 50017规定一次和二次熔透对接焊缝应能达到与母材相同的强度。

4) AISC 360和GB 50017规定的角焊缝、塞焊缝和槽焊缝的计算方法基本相同。 AISC 360计算的角焊缝承载能力略高。 这两个标准都降低了剪切长焊缝的承载能力。 GB 50017规定当计算长度超过焊脚尺寸的60倍时应减少侧焊缝，而AISC 360建议当计算长度超过焊脚尺寸的100倍时减少侧焊缝。 打个折扣吧。 对于长焊缝剪切承载能力的计算，GB 50017比AISC 360有较多的减少，不宜基于均匀剪切计算长边角焊缝。 也就是说，GB 50017给出的长边焊缝承载力降低计算公式一致性不一致，需要进一步完善和调整。

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作者简介：石炯久，清华大学教授/博士生导师，《钢结构（中英文）》编委。 长期从事钢结构工程的科学研究和工程应用。 致力于高性能钢结构的基础理论和设计方法、建筑钢结构抗震性能的研究与应用。 发表学术论文200余篇，主编或参编国家、行业和地方标准19项，荣获国家、省部级科技进步奖和工程设计奖20余项。 现任中国钢结构协会常务理事、中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会主任委员、中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会副主任、研究员英国结构工程师学会的会员。

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