第5章 钢梁计算原理

第五章钢梁计算原理5.1概述在钢结构中，承受横向荷载作用的实腹式构件称为梁类构件，即钢梁。钢梁在土木工程中应用很广泛，例如厂房建筑中的工作平台梁、吊车梁、屋面檩条和墙架横梁，以及桥梁、水工闸门、起重机、海上采油平台中的梁等。按制作方法可将钢梁分为型钢梁和组合梁两种。型钢梁制作简单，成本较低，应用较广。型钢梁通常采用热轧工字钢、槽钢、H型钢和T型钢（图5－1（a））以及冷弯薄壁型钢（图5－l（c））。其中H型钢的截面分布最合理，其翼缘内外边缘平行，方便与其他构件连接；槽钢的截面扭转中心在腹板外侧，一般受力情况下容易发生扭转，在使用时应尽量避免。当荷载较大或跨度较大时，必须采用组合梁（图5－1（b））来提高截面的刚度和承载力，其中箱形截面梁的抗扭强度较高。组合梁的截面可以根据具体受力情况合理布置，达到节省钢材的目的。图5－1表示出了两个正交的形心主轴，其中绕轴的惯性矩、截面抵抗矩最大，称为强轴，另一轴则为弱轴。对于工形、T形、箱形截面，平行于轴(弯曲轴)的最外边板称为翼缘，垂直于轴的板称为腹板。按支承条件又可将梁分为简支梁、连续梁和悬伸梁等。其中简支梁应用最广，因其制造、安装、拆换都较方便，而且受温度变化和支座沉陷的影响很小。梁的设计必须同时满足承载能力极限状态和正常使用极限状态。钢梁的承载能力极限状态包括强度、整体稳定和局部稳定三个方面。设计时要求在荷载设计值作用下，梁的抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力均不超过相应的强度设计值；保证梁不会发生整体失稳；同时保证组成梁的板件不出现局部失稳。正常使用极限状态主要指梁的刚度，设计时要求在荷载标准值作用下梁具有符合规范要求的足够的抗弯刚度。图5－1钢梁常用截面类型5.2钢梁的强度和刚度5.2.1梁的强度梁的强度包括抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度和折算应力，设计时要求在荷载设计值作用下，均不超过《钢结构设计规范》规定的相应的强度设计值。下面分别进行叙述。一、抗弯强度如图5－2所示，梁在弯矩作用下，截面上正应力的发展过程可分为三个阶段，分述如下。图5－2梁的正应力分布（1）弹性工作阶段当弯矩较小时，截面上应力分布呈三角形，中和轴为截面的形心轴，截面上各点的正应力均小于屈服应力。弯矩继续增加，直至最外边缘纤维应力达到屈服应力时（图5－2（b）），弹性状态的结束，相应的弹性极限弯矩为（5－1）——梁的净截面弹性抵抗矩。（2）弹塑性工作阶段式中弯矩继续增加，在梁截面上、下边缘各出现一个高度为的塑性区，其应力达到屈服应力。而截面的中间部分区域仍处于弹性工作状态（图5—2（c）），此时梁处于弹塑性工作阶段。（3）塑性工作阶段随着弯矩再继续增加，梁截面的塑性区不断向内发展，直至全部达到屈服应力（图5—2（d）），此时梁的抗弯承载能力达到极限，截面所负担弯矩不再增加，而变形却可继续增大，形成“塑性铰”，相应的塑性极限弯矩为（5－2）——分别为中和轴以上及以下净截面对中和轴的面积矩；——梁的净截面塑性抵抗矩，式中，。塑性抵抗矩与弹性抵抗矩的比值称为截面形状系数。它的大小仅与截面的几何形状有关，而与材料及外荷载无关。实际上表示出截面在进入弹塑性阶段之后的后续承载力。越大，表示截面的弹塑性后续承载能力越大。（5－3）对于矩形截面，圆截面，圆管截面，工字形截面。说明在边缘纤维屈服后，矩形截面内部塑性变形发展还能使弯矩承载能力增大50％，而工字形截面的弯矩承载能力增大则较小。虽然考虑截面塑性发展似乎更经济，但若按截面塑性极限弯矩进行设计，可能使梁产生过大的挠度，受压翼缘过早失去局部稳定。因此，《钢结构设计规范》只是有限制地利用塑性，取截面塑性发展深度，并通过截面塑性发展系数来体现，且，按附表取值。因此，梁的抗弯强度计算公式为：单向弯曲时双向弯曲时（5－4）（5－5）式中，——绕轴和轴的弯矩；，——梁对轴和轴的净截面抵抗矩；，——截面塑性发展系数，当梁受压翼缘的自由外伸宽度与其厚度之比不大于时，按附表取值，否则；——钢材的抗弯强度设计值，按附表采用。对于直接承受动力荷载梁及需要计算疲劳的梁，须按弹性工作阶段进行计算，宜取二、抗剪强度。一般情况下，梁同时承受弯矩和剪力的共同作用。对于外加剪力垂直于强轴的实腹梁来说，如工字形和槽形截面梁，翼缘处分担的剪力很小，可忽略不计，截面上的剪力主要由腹板承担。工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布分别如图5－3（a）、（b）所示。截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。其承载能力极限状态以截面上的最大剪应力达到钢材的抗剪屈服强度为准，而抗剪强度计算式为（5－6）式中——计算截面处沿腹板平面作用的剪力设计值；——计算剪应力（此处即为中和轴）以上毛截面对中和轴的面积矩；——毛截面惯性矩；——腹板厚度；——钢材的抗剪强度设计值，按附表采用。图5－3腹板剪应力由于型钢腹板较厚，一般均能满足上式要求。三、局部承压强度当梁的翼缘受到沿腹板平面作用的集中荷载（例如此梁传来的集中力、支座反力和吊车轮压等）作用且该处又未设置支承加劲肋时（图5－4（a）、（b）），应验算腹板计算高度边缘的局部承压强度。图5－4局部压应力在集中荷载作用下，腹板计算高度边缘的压应力分布如图5－4（c）的曲线所示。计算时假定集中荷载从作用点处以角扩散，并均匀分布于腹板的计算高度边缘。梁的局部承压强度可按下式计算（5－7）式中——集中荷载（对动力荷载应考虑动力系数）；——集中荷载增大系数（对重级工作制吊车轮压，；对其他荷载，）；——集中荷载在腹板计算高度边缘的假定分布长度（跨中，梁端）；——集中荷载沿梁跨度方向的支承长度（对吊车梁可取为——自梁承载的边缘到腹板计算高度边缘的距离；）；——轨道的高度（无轨道时）；——梁端到支座板外边缘的距离（按实际取值，但不得大于）。腹