第5章 钢梁计算原理.docx
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1、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、屋面楝条和墙架横梁,以与桥梁、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(八)以与冷弯薄壁型钢(图5-1(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51(b)来
2、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X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X轴(弯曲轴)的最外边板称为翼缘,垂直于X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
3、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。Jl歹1yy川yiffi川图51钢梁常用截面类型5.2 钢梁的强度和刚度5.2.1梁的强度实际工程中几种应力皆以较大值在同一处出现的概率很小,故将强度设计值乘以A予以提高。当(7和Q异号时,其塑性变形能力比b和式同号时大,因此4值取更大些。5.2.2梁的刚度梁刚度的验算相应于正常使用极限状态。当梁的刚度不足时,会产生较大的挠度,将影响结构的正常使用。例如若平台梁的挠度过大,一方面会使人
4、们感到不舒服和不安全,另一方面会影响操作;若吊车梁挠度过大,会使吊车运行困难,甚至不能运行。因此,应使用下式来保证梁的刚度不至于过小:vv(510)式中V荷载标准值作用下梁的最大挠度;V梁的容许挠度值,钢结构设计规范根据实践经验规定的容许挠度值见附表。挠度计算时,除了要控制受弯构件在全部荷载标准值下的最大挠度外,对承受较大可变荷载的受弯构件,尚应保证其在可变荷载标准值作用下的最大挠度不超过相应的容许挠度值,以保证构件在正常使用时的工作性能。5.3钢梁的整体稳定5.3.1一般概念如图5-5所示的工字形截面梁,承受弯曲平面内的横向荷载作用,若其截面形式为高而窄,则当荷载增大一定程度时,梁除了仍有弯
5、矩作用平面内的弯曲以外,会突然发生侧向弯曲和扭转,并丧失继5.3.2梁的扭转梁整体失稳形态为双向弯曲加扭转,为此有必要简略介绍有关扭转的若干概念。根据支承条件和荷载形式的不同,扭转分为自由扭转和约束扭转两种形式。一、自由扭转非圆截面构件扭转时,原来为平面的横截面不再保持为平面,产生翘曲变形,即构件在扭矩作用下,截面上各点沿杆轴方向产生位移。如果扭转时轴向位移不受任何约束,截面可自由翘曲变形(图5-7),称为自由扭转。自由扭转时,各截面的翘曲均相同,纵向纤维保持直线且长度保持不变,截面上无正应力,只有剪应力。沿杆件全长扭矩相等,单位长度扭转角ddz相等,并在各截面上产生相同的扭转剪应力。图57杆
6、件的自由扭转剪应力沿板厚方向呈三角形分布,扭矩与截面扭转角夕的关系为Mt=GIt(511)ttdz式中Mt截面的自由扭转扭矩;G材料的剪变模量;截面的扭转角;衡条件可知,由自由扭转剪应力形成的截面自由扭转力矩也(图5-8(b)与由弯曲扭转剪应力心形成的截面弯曲扭转力矩M(图5-8(c)之和应与外扭矩MT相平衡,即图5-8工字形截面悬臂梁的约束扭转匕为弯曲扭转剪力,其计算方法如下:在距固定端处为Z的截面上产生扭转角0,上翼缘在X方向的位移各为hUF其曲率为d2w_hd2z?d?-2d?由曲率与弯矩的关系,有(516)(517)叫hd22d?和-y-=0(526)dz边界条件(5-25)式表示梁端
7、无位移、无扭转,(5-26)式表示梁端截面可以自由翘曲。(5-22)式是对J轴的弯矩平衡方程式,只包含一个未知量V,可利用材料力学的知识单独求解,与梁的整体失稳无关。(5-23)式是侧向弯矩的平衡方程式和(5-24)式扭矩的平衡方程式,两式中各包含两个未知量”和,它们均与梁的整体失稳有关,须联立求解。可以看出特解=0、O=O能够同时满足微分方程组和相应的边界条件,然而它对应的情况是梁未产生弯扭失稳。现在的问题是要求解弯矩M为多大的情况下会使梁整体失稳,即对应M和0有非零解,而这个待定的M就是梁失稳时的临界弯矩。将式(524)微分一次,其中(日以式(523)代入,这样可消去变量“,由此得到一个关
8、于夕的常系数四阶齐次常微分方程:ddM(A97、9O=OCb-Z/)dz4tdz2EIy由上述边界条件可假定:(5-28)(5-29).n11z=CSln将式(528)代入式(5-27),有“用用0.6由式(538)修正,可得媒=I.07-丝2=0.825叭因此故梁的整体稳定可以保证。【例题5-2某简支钢梁,跨度6m,跨中无侧向支承点,集中荷载作用于梁的上翼缘,截面如图5-14所示,钢材为Q345o求此梁的整体稳定系数。代入式(537)中,得9b=0.6964320170.410383.32X-+0.631235=1.2710.6345由式(538)修正,得AOQO=1.07-=0.848b1
9、.2715.4钢梁的局部稳定和腹板加劲肋设计在进行梁截面设计时,从节省材料的角度,希望选用较薄的截面,这样在总截面面积不变的条件下可以加大梁高和梁宽,提高梁的承载力、刚度与整体稳定性。但是如果梁的翼缘和腹板厚度过薄,则在荷载作用下板件可能产生波形凸曲(图515),导致梁发生局部失稳,降低梁的承载能力。图515梁的局部失稳形式(八)翼缘;(b)腹板轧制型钢梁的规格和尺寸都已考虑了局部稳定的要求,因此其翼缘和腹板的局部稳定问题不需进行验算。需要注意的是组合梁的局部箱形截面梁在两腹板间的受压翼缘(宽度为d,厚度为/)可按四边简支的纵向均匀受压板计算,屈曲系数上=4.0,且偏安全地取=L0,7=0.2
10、5o同样,由式(5-47),可得其宽厚比限值为(图5-17(b)(549)当受压翼缘板设置纵向加劲肋时,为取腹板与纵向加劲肋之间的翼缘板无支承宽度。由上可知,选择梁翼缘板尺寸时要综合考虑强度、整体稳定和局部稳定的要求。5. 4.3腹板的局部稳定梁腹板是四边简支的或考虑有弹性嵌固的矩形板,其受力状况较复杂,以受剪力为主,同时还承受弯曲正应力与横向压应力,因而梁腹板的局部失稳形态是多种多样的。在多向应力状态下,临界应力计算较复杂。为了更好地了解和分析腹板局部失稳的本质,有必要先对四边支承的矩形板分别在剪应力、弯曲正应力和局部压应力单独作用下的失稳问题进行分析。一、腹板的受力特征1、剪应力作用下矩形
11、板的屈曲图5-18为四边简支的矩形板,四边作用均匀分布的剪应力小由于其主压应力方向为45。,因而板屈曲时产生大致沿45。方向倾斜的鼓曲。在剪应力作用下,板没有受荷边与非受荷边的区别,只有长边与短边的不同,临界剪应力为(5-53b)当40.8时(554a)当O.8L2时=.vA2(554c)式中v钢材的抗剪强度设计值。当某一腹板区格所受剪应力r%时,梁腹板就不会发生剪切局部失稳。防止腹板剪切失稳的有效方法是设置横向加劲肋,因为减少可以增大剪切临界应力。横向加劲肋的最小间距为05%,最大间距为2%(对无局部压应力的梁,当/4100时,可采用2.5)。2、弯曲正应力作用下矩形板的屈曲图5-19为四边
12、简支矩形板在弯曲正应力作用下的屈曲形态。屈曲时在板高度方向为一个半波,沿板长度方向一般为多个半波。板的弯曲临界应力为式中k屈曲系数,与板的支承条件、长短边长比值以与纵向半波数有关,对于不同的半波数,左值的曲线见图520所示。当钢梁受压翼缘扭转受完全约束时,其他情况时当Ib0.85时当0.85%1.25时;=W1_“177V235;=Wly_%153V235cr=f7cr=l-0.75(-0.85)/I/%(556a)(556b)(557a)(557b)(557C)式中f钢材的抗弯强度设计值。防止腹板弯曲失稳的有效方法是设置纵向加劲肋,通过减小板件的%来增大!。由于腹板屈曲的范围处于受压区,因此
13、纵向加劲肋要布置在受压区一侧。3、横向压应力作用下矩形板的屈曲图521板在横向压应力作用下的屈曲当梁上翼缘作用有较大的集中荷载而且无法设置支承加劲肋时(例如吊车轮压),腹板边缘将承受局部压应力式作用,并可能产生横向屈曲。图5-21为局部横向荷载作用下腹板的屈曲。屈曲时腹板在横向和纵向都只出现一个半波。其临界应力为腹板梁翼缘和两个横向加劲肋之间形成的区格,同时承受弯曲正应力。、剪应力C和局部横向压应力4的共同作用,如图5-22(八)所示。图522多种应力作用下的腹板此时区格板件的局部稳定按下列公式计算:(2zy+-1(5-62)crJ工Cr)c,cr式中所计算腹板区格内,由平均弯矩产生的腹板计算
14、高度边缘的弯曲正应力;r所计算腹板区格内,由平均剪力产生的腹板平均剪应力,z=V(w);OC腹板计算高度边缘的局部压应力,按式(5-7)计算,取y/10o/,1,/.Cr分别为各种应力(b/,q)单独作用下腹板区格的临界应力。2、同时布置横向加劲肋和纵向加劲肋的梁腹板一、加劲肋的布置要求规范规定腹板加劲肋的配置应根据梁腹板的高厚比为w值进行。(I)当%/%8时,应按计算配置横向加劲肋。(3)当/几170j235/力(此时梁受压翼缘受到侧向约束,如有刚性辅板牢固连接等)或者4/%150癖孑(其他受压翼缘未受到侧向约束情况)或者按计算需要时,应在弯曲应力较大的区格的受压区增加设置纵向加劲肋。局部压
15、应力很大的梁,必要时尚宜在受压区设置短加劲肋。任何情况下,梁腹板儿不应超过250网o(4)钢梁支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处宜设支承加劲肋。二、加劲肋的截面尺寸与构造要求加劲肋按其作用可分为两类:一类是仅分隔腹板以保证腹板局部稳定,称为间隔加劲肋;另一类除了上面的作用外,还起传递固定集中荷载或支座反力的作用,称为支承加劲肋。间隔加劲肋仅按构造条件确定截面,而支承加劲肋截面尺寸尚需满足受力要求。为使梁的整体受力不致产生人为的侧向偏心,加劲肋最好在腹板两侧成对布置。在条件不容许时,也可单侧配置,但支承加劲肋和重级工作制吊车梁的加劲肋不能单侧布置。用型钢(工字钢、槽钢、肢尖焊于腹板的角钢)做成
16、的加劲肋,其截而惯性矩不得小于相应钢板加劲肋的惯性矩。(b)(d)(e)图524腹板加劲肋的构造为避免焊缝的集中和交叉,焊接梁的横向加劲肋与翼缘连接处应切角(图525b、c),所切斜角的宽度约a/3(但不大于40mm),高约R/2(但不大于60Inm),“为加劲肋的宽度。在纵向加劲肋与横向加劲肋的相交处,纵肋也要切角。吊车梁横向加劲肋的上端应与上翼缘刨平顶紧,当为焊接梁时,尚宜焊接。中间横向加劲肋的下端一般在距受拉翼缘50100mm处断开(图5-25b),以提高梁的抗疲劳能力。为了增大梁的抗扭刚度,也可以短角钢与加劲肋下端焊牢,但顶紧于受拉翼缘而不焊(图5-25c)o刨平顶紧刨平顶紧OOIOs
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