受弯45钢构件的形式和运用
下一个钢板切割工件:格构碳板切割柱的截面形式
5.1受弯45钢构件的形式和运用 横向荷载的45钢构件称为受弯45钢构件,其形式有实腹式和格构式两个系列。 实腹式受弯45钢构件一梁 实腹式受弯酸通靜辦,在土木《巾应臟re’_賴龍巾_錢、工糾台梁、吊车 梁、屋面檫条和墙架横梁,以及桥梁、水工闸门、起重机、海上采油平台^° 伯#荷 钢梁分为型钢梁和组合梁两大类。型钢梁构造简单、制造省工、成本较低,因而应优先采用1但在荷栽较大或跨度较大时,由于轧制条件的限制,型钢的尺寸、规格不能满足梁承载力和刚度的要求,就必须采 用组合梁。 型钢梁的截面有热轧工字钢[图5.1(a)]、热轧H型钢[图5.1(b)]和槽钢[图5.1(c)]三种,其中以H型钢的截面分布最合理,翼缘内外边缘平行,与其他45钢构件连接较方便,应予优先采用。用于梁的H型钢宜为窄翼缘型(HN型)。槽钢因其截面扭转中心在腹板外侧,弯曲时将同时产生扭转,受荷不利,故只有在构造上使荷载作用线接近扭转中心,或能适当保证截面不发生扭转时才被采用。由于轧制条件的限制,热轧型钢腹板的厚度较大,用钢量较多。某些受弯45钢构件(如槺条)采用冷弯薄壁型钢[图5.1(d)〜(f)]较经济,但防腐要求较高。 (0 ]cjr (o 图5.1梁的截面类型 组合梁一般采用三块钢板焊接而成的工字形截面[图5.1(g)],或由T型钢(用H型钢剖分而成)中间加板的焊接截面[图5.1(h)],当焊接组合梁翼缘需要很厚时,可采用两层翼缘板的截面[图5.l(i)]。受动力荷载的梁如钢材质量不能满足焊接结构的要求时,可采用髙强度螺栓或铆钉连接而成的工字形截面[图5.l(p]。荷载很大而髙度受到限制或梁的抗扭要求较髙时,可采用箱形截面[图5.l(k)]。组合梁 的截面组成比较灵活,可使材料在截面上的分布更为合理,节省钢材。 钢梁可做成简支梁、连续梁、悬伸梁等。简支梁的用钢量虽然较多,但由于制造、安装、修理、拆换较方便,而且不受温度变化和支座沉陷的影响,因而用得最为广泛。 在土木工程中,除少数情况(如吊车梁、起重机大梁或上承式铁路板梁桥等)可由单根梁或两根梁成对布置外,通常由 若干梁平行或交叉排列而成梁格,图5.2即为工作平台梁格 布置示例6 根据主梁和次梁的排列情况,梁格可分为三种类型• (1) 单向梁格[图5.3(a)]只有主梁,适用于楼盖或平 图5.2工作平台梁格布置示例 台结构的横向尺寸较小或面板跨度较大的情况。 (2) 双向梁格[图5.3(b)]有主梁及一个方向的次梁,次梁由主梁支承,是最为常用的梁格类型。 间再设横向次梁。荷载传递层次多,梁格 (3) 复式梁格[图5.3(c)]在主梁间设纵向次梁,纵向次梁构造复杂,故应用较少,只适用于荷载重或主梁间距很大的情况。 5.1.2 格构式受弯45钢构件一桁架 主要承受横向荷载的格构式受弯45钢构件称为桁架。与梁相比,其特点是以弦杆代替翼缘、以腹杆代替腹 板,而在各节点将腹杆与弦杆连接。这样,桁架整体受弯时,弯矩表现为上、下弦杆的轴心压力和拉力,剪 力则表现为各腹杆的轴心压力或拉力。钢桁架可以根据不同使用要求制成所需的外形,对跨度和高度较 大的45钢构件,其钢材用量比实腹梁有所减少,而刚度却有所增加。只是術架的杆件和节点较多,构造较复杂,制造较为费工。 与梁一样,平面钢桁架在土木工程中应用很广泛,例如建筑工程中的屋架、托架、吊车桁架(桁架式吊车梁),桥梁中的桁架桥,还有其他领域,如起重机臂架、水工闸门和海洋平台的主要受弯45钢构件等。大跨度屋盖结构中采用的钢网架,以及各种类型的塔桅结构,则属于空间钢桁架。钢桁架的结构类型有: • ①简支梁式[图5.4(a)~(d)],受力明确,杆件内力不受支座沉陷的影响’施工方便,使用最广旧 社下辟钢柱識组成輯或絲_’可提高其水 平刚度,常用于单层厂房结构* (f) 图S.4梁式桁架的形式 ③连续式[图5. 4(e)],跨越较大的桥架常用多跨连续的桁架,可增加刚度并节约材料; ④伸臂式[图5. 4(f)],既有连续式节约材料的优点,又有简支梁式不受支座沉陷影响的优点,只是校 接处构造较复杂; S)是璧式•用干馆恕笺ffflfi.?;、.士亜语畀士茉叨茄雜_2丨曲始亦祐 面或轧制T形截面,构造简单,应用最广。重型钢桁架的杆件受力较大,通常采用乳制H型钢或三板焊接工字形截面,有时也采用四板焊接的箱形截面或双槽钢、双工字钢组成的格构式截面;每个节点处用两块平行的节点板连接,通常称为双腹壁桁架。轻型钢桁架指用冷弯薄壁型钢或小角钢及圆钢做成的桁架,节点处可用节点板相连,也可将杆件直接连接,主要用于跨度小、屋面轻的屋盖桁架(屋架或桁架式檫条等〉。 桁架的杆件主要为轴心拉杆和轴♦心压杆,设计方法已在第4章叙述;在特殊情况,也可能出现压-弯杆件,设计方法见第6章。桁架的腹杆体系、支掸布置和节点构图5.5悬臂桁架造等可参见本书第7章(单层厂房结构)和第8章(大跨度房屋结构)的有关内容,以及钢桥和塔桅结构方面的书籍。 下面主要叙述实腹式受弯45钢构件(梁)的工作性能和设计方法》 5.2 梁的强度和刚度 为了确保安全适用、经济合理,同其他45钢构件一样,梁的设计必须同时考虑第一和第二两种极限状态。第一种极限状态即承载力极限状态。在钢梁的设计中包括强度、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,梁的弯曲正应力、剪应力、局部压应力和折算应力均不超过规范规定的相应的强度设计值,整根梁不会侧向弯扭屈曲,组成梁的板件不会出现波状的局部屈曲。第二种极限状态即正常使用的极限状态。在钢梁的设计中主要考虑梁的刚度。设计时要求梁有足够的抗弯刚度,即在荷载标准值作用下,梁的最大挠度不大于规范规定的容许挠度《 5.2.1 梁的强度 梁的强度分抗弯强度、抗剪强度、局部承压强度、在复杂应力作用下的强度等,其中抗弯强度的计算又 是首要的。 4. 2.1.1梁的抗弯强度 梁受弯时的应力-应变曲线与受拉时相类似,屈服点也差不多,因此,钢材是理想弹塑性体的假定,在梁的强度计算中仍然适用.当弯矩M,由零逐渐加大时,截面中的应变始终符合平面截面假定[图5.6U)],截面上、下边缘的应变最大,设为enax.而正应力的发展过程可分为下述三个阶段: (1) 弹性工作阶段当作用于梁上的弯矩较小时,截面上的最大应变e„„],相应的弯矩为梁弹性工作阶段的最大弯矩,其值为: =f,Wax (5i) 式中—一梁净截面对X轴的模量. 妒段当弯矩M蕙继续增加,最大应变D/r/丑,截面上、下各有—个高为a的区域,其旭变由于钢材为理想的弹塑性体,所以这个区域的正应力恒等于彳. 变3的中间部分区域仍保持弹性,应力与应变成 (1) 在集中荷载作用下,翼缘(在吊车梁中还包括轨道)类似支承于腹板的弹性地基梁。腹板计算髙度边缘的压应力分布如图5.9(c)的曲线所示。假定集中荷载从作用处以1|2.5(在Ay髙度范围)和1 当梁的翼缘受有沿腹板平面作用的固定集中荷载(包括支座反力)且该荷载处又未设置支承加劲肋[图5.9(a)],或受有移动的集中荷载(如吊车的轮压)[图5.9(b)]时,应验算腹板计算髙度边缘的局部承压强度。 2.1.3梁的局部承压强度 4. 当梁的抗剪强度不足时,最有效的办法是增大腹板的面积,但腹板髙度心一般由梁的刚度条件和构造要求确定,故设计时常采用加大腹板厚度“的办法来增大梁的抗剪强度。 ,——钢材的抗剪强度设计值。 式中S——中和轴以上毛截面对中和轴的面积矩I 截面上的最大剪应力发生在腹板中和轴处。因此,在主平面受弯的实腹45钢构件,其抗剪强度应按下式计算: K——腹板厚度。 I——毛截面惯性矩; 计算剪应力处以上(或下)毛截面对中和轴的面积矩; S 式中V——计算截面沿腹板平面作用的剪力* It, (5.6) r="=YS" 一般情况下,梁既承受弯矩,同时又承受剪力。工字形和槽形截面梁腹板上的剪应力分布如图5.8所 2.1.2梁的抗剪强度 当梁的抗弯55度不眵时,增大梁截面的任一尺寸均可,但以梁的髙度最为有效。 时,应取八="1.0。/,为钢材牌号所指屈服点,即不分钢材厚度一律取为:Q235钢.235N/mm2;Q345钢,345N/mm2,Q390钢,390N/mmSQ120钢,420N/mm*。直接承受动力荷载且需要计算疲劳的梁,例如重级工作制吊车梁,塑性深人截面将使钢材发生硬化.促使疲劳断裂提前出现,因此按式(5.4)和式(5.5)计算时,取y,=rr=i.0,即按弹性工作阶段进行计算^" (但不超过15 当梁受压翼缘的自由外伸宽度6与其厚度f之比大于13 rx,r,是考虑塑性部分深人截面的系数,与式(5.3)的截面形状系数的含义有差别,故称为“栽面塑性发展系数”。为避免梁在失去强度之前受压翼缘局部失稳,《钢结构设计规范KGB50017—2003)规定: 截面塑性发展系数:对工字形截面,1="1.05,\:他截面,可按表5.1采用f钢材的抗弯强度设计值。" :1.20;对箱形截面,yx="=yy=1.05;对其" 绕:c轴和;y轴的弯矩(对工字形截面,I轴为强轴,:y轴为弱轴);一对;c轴和:y轴的净截面模量s - (5.5) 在弯矩和作用下 (5.4) 紙^f 在弯矩Mx怍用下: 这样,梁的抗弯强度按下列规定计箅•• i[m5.6(c)]. 显然,在计算梁的抗弯强度时,考虑截面塑性发展比不考虑要节省钢材。但若按截面形成塑性铰来设计,可能使梁的挠度过大,受压翼缘过早失去局部稳定。因此,编制《钢结构设计规范》时,只是有限制地利用塑性,取塑性发展深度a<0.12S 图5.7截面形状系数 (f) y严1.27 7所示。 此值只取决于截面的几何形状而与材料的性质无关,称为截面形状系数。一般截面的a值如图 (5.3) 塑性铰弯矩与弹性最大弯矩M„之比为: ——净截面对x轴的塑性模量。 式中SlM、S2n,—一分别为中和轴以上、以下净截面W中和轴X的面积矩; (5.2) Mxp="+S2n.)=fyW^" 塑性工作阶段当弯矩Mx再继续增加,梁截面的塑性区便不断向内发展,弹性核心便不断变小。当弹性核心几乎完全消失[图5.6(d)]时,弯矩不再增加,而变形却继续发展,形成“塑性铰”,梁的承载能力达到极限。其最大弯矩为: 朗5.6梁受弯时冬阶段正应力的分布佾况 (c) ㈨ 比丨[="加等于人,为雌区。然而,应">1(在髙度范围)扩散,均勻分布于腹板计算髙度边缘。按这种假定计算的均布压应力与理论的局部压应力的最大值十分接近。于是,梁的局部承压强度可按下式计算: • — (5.8) 式中尸 集中荷载,对动3荷载应考虑动力系数; 110 |