1、海洋工程钢结构设计海洋工程钢结构设计本章内容：本章内容：钢结构基础知识（钢结构基础知识（5）5.1 5.1 钢梁的类型和截面形式钢梁的类型和截面形式5.2 5.2 梁的强度和刚度梁的强度和刚度5.3 5.3 梁的整体稳定计算梁的整体稳定计算5.4 5.4 焊接组合梁的局部稳定焊接组合梁的局部稳定5.5 5.5 考虑腹板屈曲后强度的梁设计考虑腹板屈曲后强度的梁设计5.6 5.6 型钢梁设计型钢梁设计5.7 5.7 焊接组合梁设计焊接组合梁设计5.8 5.8 钢梁的连接构造钢梁的连接构造 5.9 5.9 其他梁设计其他梁设计 5.1 5.1 钢梁的类型和截面形式钢梁的类型和截面形式 梁在工业与民用
2、建筑结构中是不可缺少的基本构件之一，主要用以承受横向荷载，故又称受弯构件。受弯构件也包括实腹式受弯构件（梁）和格构式受弯构件（桁架）两个系列。本课程仅介绍实腹式梁的设计方法。格构式受弯构件（桁架）用于屋架、托架、吊车桁架以及大跨结构中，其设计方法将在后续课程中介绍。5.1.1 5.1.1 实腹式梁的类型和截面形式实腹式梁的类型和截面形式 实腹式钢梁常用于工作平台梁、楼盖梁、墙架梁和吊车梁等。实腹式钢梁按材料和制作方法可分为型钢梁和组合梁两大类。(g)(h)(a)(b)(j)(i)(k)(l)(d)(c)(e)(f)梁的截面形式 根据梁的弯曲变形情况，梁可分为在一个主平面内弯曲的单向受弯梁和在两
3、个主平面内弯曲的双向受弯梁（或称斜弯曲梁）。根据梁的支承情况，梁可分为简支梁和连续梁。钢梁一般都用简支梁。简支梁制造简单，安装方便，且可避免因支座不均匀沉陷所产生的不利影响。(a)(b)蜂窝梁5.1.2 5.1.2 梁格布局梁格布局 梁格是由许多梁排列而成的平面体系，例如楼盖和工作平台梁等。梁格上的荷载一般先由铺板传给次梁，再由次梁传给主梁，然后传到柱或墙上，最后传给基础和地基。根据梁的排列方式，梁格可分为下列三种典型的形式：纵次梁主梁(a)次梁 主梁(b)(c)主梁横次梁普通梁格简式梁格复式梁格5.25.2梁的强度和刚度梁的强度和刚度5.2.1 5.2.1 梁的强度梁的强度 对于普通钢梁，要
4、保证强度安全，就是要保证在危险截面处（一般是弯矩最大处），梁净截面的抗弯强度及抗剪强度不超过其钢材的抗弯及抗剪强度极限。对于工字形、箱形截面的梁，在集中荷载处，腹板边缘（与翼缘相连处）受局部压力作用，需满足局部受压的强度条件；同时，该点还受弯曲应力、剪应力及局部压应力的共同作用，故还应对该点的折算应力进行强度验算。(1)(1)抗弯强度抗弯强度 梁截面的弯曲应力随弯矩增加而变化，可分为弹性、弹塑性及塑性三个工作阶段。下面以工字形截面梁弯曲为例来说明。(e)(a)(b)(c)(d)(f)fyxx=fy=fy=fyM MeM=MeMe M MpM=MpTm ax梁截面的应力分布1）弹性工作阶段：其外
5、缘纤维最大应力为 。这个阶段可持续到 达到屈服点 。这时梁截面的弯矩达到弹性极限弯矩 。式中 梁的弹性极限弯矩；梁的净截面（弹性）抵抗矩。n/M WyfeMynefWM eMnW 2）弹塑性工作阶段：超过弹性极限弯矩后，如果弯矩继续增加，截面外缘部分进入塑性状态，中央部分仍保持弹性。这时截面弯曲应力不再保持三角形直线分布，而是呈折线分布。随着弯矩增大，塑性区逐渐向截面中央扩展，中央弹性区相应逐渐缩小。3）塑性工作阶段：在弹塑性工作阶段，如果弯矩不断增加，直到弹性区消失，截面全部进入塑性状态，截面形成塑性铰（plastic hinge）。这时梁截面应力呈上下两个矩形分布。弯矩达到最大极限，称为塑
6、性弯矩 ，其值为：称为梁的净截面塑性抵抗矩。塑性抵抗矩为截面中和轴以上或以下的净截面对中和轴的面积矩 和 之和。pMy2n1nypnp)(fSSfWMpnWn1Sn2SpnWnWnpn/WWF 与 之比称为截面形状系数 截面的形状系数也是截面塑性极限弯矩与截面弹性极限弯矩之比。对于弹性设计而言，截面的形状系数越大，强度储备越大。(2)(2)抗剪强度抗剪强度 钢结构设计规范（GB500172019）以截面最大剪应力达到所用钢材抗剪强度作为抗剪承载力极限状态。因此，对于绕强轴（）受弯的梁，抗剪强度计算公式如下：式中 计算截面的剪力；毛截面绕强轴（）的惯性矩；中和轴以上或以下截面对中和轴的面积矩，按
7、毛截面计算；xvwxftIVS VxIxIxS 腹板厚度；钢材抗剪强度设计值，见附表1.1。轧制工字钢和槽钢因受轧制条件限制，腹板厚度相对较大，当无较大的截面削弱时，可不验算抗剪强度。(3)(3)腹板局部压应力腹板局部压应力wtwtvf+-+aa111twhylzFtwhylzlzFaR梁腹板局部压应力 当工字形、箱形等截面梁上有集中荷载作用时，集中荷载由翼缘传至腹板。因而在集中荷载作用处的腹板边缘，会有很高的局部横向压应力。为保证这部分腹板不至受压破坏，必须计算集中荷载引起的局部横向压应力 。（4 4）折算应力）折算应力 在组合梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应
8、力，或同时受有较大的正应力和剪应力（如连续梁支座处或梁的翼缘截面改变处等）应验算其折算应力。c 如图中受集中荷载作用的梁，跨中的弯矩和剪力均为最大值，同时还有集中荷载引起的局部横向压应力，在腹板（计算高度）边缘A点处，同时有正应力 、剪应力 及横向压应力 共同作用，应按下式验算其折算应力：11cf121c12c21eq311PPAl/2l/2MVc5.2.2 5.2.2 梁的刚度梁的刚度 梁的刚度按正常使用极限状态下，荷载标准值引起的最大挠度来计算。简支梁最大挠度计算公式：均布荷载：跨中一个集中荷载：跨间等距离布置两个相等的集中荷载：跨间等距离布置三个相等的集中荷载：EIlq38454kEIl
9、p483kEIlP3k38481.6EIlP3k38433.6ll/悬臂梁最大挠度计算公式分别为：受均布荷载：自由端受集中荷载作用：EIlq84kEIlP33k梁的刚度验算：5.3 5.3 梁的整体稳定计算梁的整体稳定计算5.3.1 5.3.1 梁整体失稳的概念梁整体失稳的概念 在一个主平面内受横向荷载或弯矩作用的构件，称单向受弯构件；实际工程中还存在双向受弯构件。受弯构件简称梁。为提高钢梁的抗弯承载能力，通常设计成高而窄的工字形截面。当荷载不大时,梁只在平面内产生弯曲变形；当荷载增大到某一数值时，梁有可能突然产生在平面外的弯曲变形（侧弯）和绕轴向的扭转变形。如果荷载继续增加，梁的侧向变形和扭
10、转将急剧增加，使梁完全丧失承载能力。梁从平面弯曲状态转变为弯扭状态的现象称为梁的整体失稳。梁的整体失稳属于弯扭失稳，能保持整体稳定的最大荷载或弯矩称临界荷载或临界弯矩。图5.8 受集中荷载作用的梁发生弯扭失稳5.3.2 5.3.2 梁的临界弯矩梁的临界弯矩 (1)双轴对称工字形截面梁纯弯曲时的临界弯矩 两端受相等弯矩 作用的双轴对称工字形截面简支梁，侧向支承距离。其简支条件是：梁的两端可绕 轴和 轴转动，但不能绕 轴转动。假定梁无初弯曲，不考虑残余应力，处于弹性阶段，可按弹性理论建立梁在微小弯扭变形情况下的平衡微分方程。求解得临界弯矩计算公式：xMxyzl22ty2y2crx,1EIlGIII
11、lEIMzdzdu/sinx（2）单轴对称工字形截面梁受一般荷载的临界弯矩 单轴对称工字形截面梁在受一般荷载荷载作用时，如两端弯矩不同，受集中荷载、分布荷载作用，以及荷载作用位置不同等。此时，由弹性稳定理论可得临界弯矩的一般表达式：双 轴 对 称单 轴 对 称xscxyyxxcyyEIlGIIIBaBalEIMtyyyycr22232322211)(荷载类型跨度中点集中荷载1.350.550.40满跨均布荷载1.130.460.53纯弯曲101式中：、与荷载类型有关的系数。123123(3)影响梁弯扭屈曲临界弯矩的因素1）梁的侧向抗弯、抗扭和抗翘曲刚度；2）侧向支承点的间距L；3）几何特性；4
12、)荷载形式；5）荷载作用位置；6）支承对梁的位移约束程度。yB5.3.35.3.3梁的整体稳定验算梁的整体稳定验算（1）梁不发生整体失稳的措施 根据影响梁临界弯矩的因素，工程中可采取相应的措施，控制梁不发生整体失稳。对此，钢结构设计规范列出梁不会发生整体失稳的三种情况，符合三个条件之一时，可不验算梁的整体稳定性。1）板(各种钢筋混凝土板或钢板)密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连，能阻止梁受压翼缘的侧向位移时；2）工字形截面简支梁受压翼缘的自由长度 与其宽度b之比不超过下表规定值时。1l钢 号跨中无侧向支承点的梁跨中有侧向支承点的梁不论荷载作用在何处荷载作用在上翼缘荷载作用在下翼缘Q235钢13
13、2016Q345钢111713Q390钢101612 3）对于箱形截面简支梁，如不设置能阻止梁受压翼缘侧向位移的锚板时，其截面尺寸应满足,且 不应超过下列数值：Q235钢 95 Q345钢 65 Q390钢 57 其他钢号 95（）6/0bh00/bly/235fxxb1b0t1twtwt2b2h(2)梁的整体稳定验算 除上述三种情况以外的梁，都需进行整体稳定验算。稳定计算属于承载力极限状态，因此，梁不发生整体失稳的条件可写成：fffWMbdyycrdcrxx 钢结构设计规范（500172019）将此条件写成以下形式：单向受弯梁：fWMxbx双向受弯梁：fWMWMyyyxbx式中 Mx，My绕
14、x，y轴的弯矩；Wx、Wy按受压纤维确定的对x轴和y轴毛截面抵抗矩；梁的整体稳定系数；截面塑性发展系数。)/(/xcrycrbfWMf by 应用中，Mx，Wx，等参数或已知，或查表，或根据所给荷载条件和梁截面几何尺寸算出。而 的计算与梁的临界弯矩有关，计算较复杂。钢结构设计规范对常用截面和约束情况下梁的整体稳定系数计算作了适当的简化和相关规定：1）两端均匀受弯的工字形截面简支梁 fybbyb21yx2yb2354.414320fhtWAh 2）一般荷载作用的工字形梁 非纯弯曲工字形截面简支梁的整体稳定的计算公式为：yb21yx2ybb2354.414320fhtWAh式中，为悬臂梁的悬伸长度
15、。y1y/il1l 通过对多种常用的双轴对称工字形截面梁和加强受压翼缘工字形截面梁进行电算，求出工字形截面简支梁的系数 ,列成表5.4。bb3）弹塑性阶段工字形梁 上述公式都是假定梁处于弹性阶段，而大量中等跨度的梁整体失稳时往往处于弹塑性阶段。对承受纯弯曲的双轴对称工字形截面简支梁进行了弹塑性阶段的理论和实验研究,当求得的 大于0.6时，应以 代替 ，的计算公式为：bbbb0.1/282.007.1bbb4）轧制普通工字钢简支梁和轧制槽钢简支梁 对轧制普通工字钢简支梁，可按表5.5查稳定系数 。对轧制槽钢简支梁，不论荷载形式和荷载作用点在截面高度上的位置如何，均按下面给出的近似公式计算稳定系数
16、 。bbby1b235570fhlbt式中:h、b、t 槽钢截面的高度、翼缘宽度和平均厚度；l1自由长度。5）双轴对称工字形等截面悬臂梁 对于双轴对称工字形等截面悬臂梁，规范规定 仍按公式（5.33）计算，但式中系数 按表5.6查得。6）的近似计算公式 的近似计算公式见表5.8。例5.1 bbbyybbb5.4 5.4 焊接组合梁的局部稳定焊接组合梁的局部稳定 焊接组合梁一般由翼缘和腹板组成，从强度、刚度、整体稳定和经济性等方面考虑，腹板宜高而薄，翼缘宜宽。但是如果把腹板不适当地加高减薄，把翼缘不适当地放宽，则可能在梁整体失稳之前，梁的腹板或受压翼缘首先失稳，发生波形屈曲。这种发生在部分板件上
17、的屈曲，称为梁的局部失稳。部分板件屈曲后即退出工作，因而会影响梁的承载能力，降低梁的刚度。5.4.1 5.4.1 受压翼缘的局部稳定受压翼缘的局部稳定 梁的受压翼缘板主要受均布压应力作用，可视为单向均匀受压板，其局部稳定也由宽厚比限值来控制，控制条件是：翼缘板的临界应力 不小于材料的屈服应力 即：cryf单向均匀受压板临界应力的计算公式为：222cr)1(12btk代入上式，整理后得到保证翼缘临界应力大于屈服应力的宽厚比限值，即保证翼缘局部稳定的控制条件为：y23513ftb 对箱形截面梁翼缘板在两腹板之间的部分，相当于四边简支单向受压板，取 4，可得其宽厚比限值为：ky023540ftbkb
18、tbob(a)(b)at梁的受压翼缘板5.4.2 5.4.2 腹板的加劲肋及局部稳定计算腹板的加劲肋及局部稳定计算 在一般情况下，腹板上有弯曲正应力、剪应力及局部压应力作用，各种应力都可能使腹板屈曲。为了提高梁腹板的局部稳定性，可以采取两种措施：1）增加腹板的厚度；2）设置合适的加劲肋。hoa(b)(c)c(a)aab 加劲肋的设置有图示几种形式。分析表明，设加劲肋比增加腹板的厚度能取得更好的经济效益，因此，在工程中都采用设置加劲肋的措施。横向加劲肋能提高腹板的剪切临界应力，并作为纵向加劲肋的支承；纵向加劲肋对提高腹板的弯曲临界应力特别有效，设置时应靠近受压翼缘；短加劲肋常用于局部压应力较大的
19、情况。(a)(b)12(c)123h0twah1h2a1htwhaa1a2a3h1h2h 应如何设置加劲肋才能保证腹板的局部稳定呢？由于设置加劲肋后，梁上的腹板可视为四边简支板，因此，先了解四边简支板受各种应力单独作用时的稳定计算。（1）各种应力单独作用时四边简支板的稳定计算1）四边简支板非均匀受压的临界应力公式222cr)1(12btk 式中的屈曲系数k还与板的长宽比及应力梯度a有关 121/)(ab2)四边简支板均匀受剪的临界应力公式：2222cr)1(12ltkhocaab3）四边简支板一边受压临界应力公式：222crc,)1(12btkhocaab注意上述三个公式中k 值的计算。(2)
20、腹板的稳定计算方法 梁的腹板通常受几种应力（、）同时作用，当这些应力达到某一组合值时，腹板将由平板稳定状态变为微曲的临界平衡状态。此时的稳定条件是：c12crcrc,c2cr 平均弯矩产生的在腹板计算高度边缘处的弯曲压应力；由平均剪力产生的腹板平均剪应力，；腹板边缘局部压应力，按式(5.6)计算，系数 1.0；、在 、单独作用下板的临界应力。）ww/(thVccrcrcrc,c 设置不同形式的加劲肋，式中各参数的计算要求不同，详见教材。5.4.2 5.4.2 加劲肋的构造、验算和设置规定加劲肋的构造、验算和设置规定 加劲肋按其作用可分为两种：一种是为了把腹板分隔成几个区格，以提高腹板的局部稳定
21、性。称为间隔加劲肋；另一种除了上述的作用外，还有传递固定集中荷载或支座反力的作用，称为支承加劲肋。（1）加劲肋的构造要求 加劲肋宜在腹板两侧成对配置，也允许单侧配置，但支承加劲肋和重级工作值吊车梁的加劲肋不应单侧配置。加劲肋可采用钢板或型钢。横向加劲肋的最小间距为 ，最大间距为 （对无局部压应力的梁，当 时，可采用 ）。加劲肋应有足够的刚度，使其成为腹板的不动支承。在腹板两侧成对配置的横向加劲肋，其截面尺寸应按下列公式：05.0 h02h100/w0th05.2 h外伸宽度：（mm）厚度：40300shb15ssbt 在腹板一侧配置的钢板横向加劲肋，其外伸宽度应大于按公式(5.58)算得的1.
22、2倍，厚度应不小于其外伸宽度的1/15。在同时用横向加劲肋和纵向加劲肋加强的腹板中，横向加劲肋的截面尺寸除应符合上述规定外，其截面惯性矩应满足下式的要求：3w0z3thI 纵向加劲肋的惯性矩应满足下式的要求当 时 当 时 85.00ha3w0y5.1thI 85.00ha3w0200y45.05.2thhahaI下图所用的轴和轴，当加劲肋在两侧成对配置时，取腹板的 轴线图5.20(b)、(d)、(e)。当加劲肋在腹板一侧配置时，取与加劲肋相连的腹板边缘线图5.20(c)、(f)、(g)。(d)(a)(f)(e)(g)(c)(b)ah0bsbs/2(60)bs/3(40)bstwyyzzzzzz
23、 zztw图5.20 加劲肋的构造 短加劲肋的最小间距为 ，钢板短加劲肋的外伸宽度应取为横向加劲肋外伸宽度的0.71.0倍，厚度应不小于短加劲肋外伸宽度的1/15。用型钢做成的加劲肋，其截面惯性矩不得小于相应钢板加劲肋的惯性矩。横向加劲肋与上、下翼缘焊牢能增加梁的抗扭刚度，但会降低疲劳强度，吊车梁横向加劲肋的上端应与上翼缘刨平顶紧（当为焊接吊车梁，并应焊牢）。中间横向加劲肋的下端不应与受拉翼缘焊牢，一般在距受拉翼缘处 断开图5.21(a)，为了提高梁的抗扭刚度，也可另加短角钢与加劲肋下端焊牢，但抵紧于受拉翼缘而不焊图5.21(b)。为了避免焊缝的集中和交叉以及减小焊接应力，焊接梁的横向加劲肋与
24、翼缘连接处，应做成切角，当切成斜角时，其宽度约为 （但不大于 ）高约为 （不大于 ）图5.21(b)，为加劲肋的宽度。175.0hmm100503/sbmm402/sbmm60sb （2）支承加劲肋设计支承加劲肋除满足上述刚度要求外，还应按所承受的支座反力或集中荷载计算其稳定性、端面承压强度和焊缝强度。顶紧不焊(a)刨平顶紧(b)50100刨平顶紧图5.21 吊车梁加劲肋构造1）稳定性计算2）端面承压计算（3）加劲肋的设置规定当 时，应按构造设置横向加劲肋（a ）；对于无局部压应力作用得梁（），可不设加劲肋。当 时，应按计算设置横向加劲肋；当 ，且受压翼缘受到约束（如连有刚性铺板、制动板和焊有
25、钢轨）时，或 （其它情况）或按计算需要时，应在弯矩较大区格的受压区增加设置纵向加劲肋。局部压应力很大的梁，必要时应在受压区配置短加劲肋。yw0/23580/fth05.0 h02h0cyw0/23580/fthyw0/235170/fthyw0/235150/fth在任何情况下，都不能超过 。对单轴对称梁，第条中的 应取受压区高度 的两倍。梁的支座处和上翼缘受有较大固定集中荷载处，宜设置支承加劲肋，并计算支承加劲肋的稳定性。小结：小结：保证梁腹板的局部稳定，一般是先按规定布置加劲肋，再计算各区格所受的平均应力和相应的临界应力，计算是否满足相应的稳定条件。若不满足或太富裕，则调整加劲肋间距，重新
26、计算，直到满意为止。w0/thy/235250f0hch5.5 5.5 考虑腹板屈曲后强度的梁设计考虑腹板屈曲后强度的梁设计 上述方法适合于直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件设置加劲肋后的腹板局部稳定计算。进一步的分析表明，梁腹板受压屈曲或受剪屈曲后，还有继续承受荷载的能力，称为屈曲后强度。钢结构设计规范（500172019）规定，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁，设计时要考虑腹板屈曲后的强度。5.5.1 5.5.1 受压薄板的屈曲后强度受压薄板的屈曲后强度（1）薄板屈曲分析 图5.23所示的四边简支薄板，受有均匀分布的竖向压力，当竖向压应力达到弹性临界应力时板开始屈曲。此时，由于板的
27、四边有约束，在板的中部会产生纵向拉力，该拉力牵制屈曲变形的发展。这种牵制作用对提高板的承载力是有利的。(a)(b)(+)(-)(-)crfyucr图 5.23 受压板件的屈曲分析 根据板件两边的支承情况，可将板件分为加劲板件、部分加劲板件和非加劲板件。加劲板件为两纵边与其他板件相连接的板件，如箱形截面的翼缘和腹板图5.25(a),槽形截面的腹板；部分加劲板件即为一纵边与其他板件相连，另一纵边为卷边加劲的板件，如卷边槽钢的翼缘板图5.25(b)；非加劲板件即一纵边与其他板件相连，另一纵边为自由的板件图5.25(c)。bbe1支承卷边自由支承支承支承支承支承支承支承卷边自由(a)(b)(c)bbe
28、2bbe1be2bbe1be2bae1ae2ae1be1be2图5.25 受压板件的有效宽厚比 受压板件有效宽度的计算，与板件的实际宽厚比、所受应力大小和分布情况、板件纵边的支承类型、以及相邻板件对它的约束程度等因素有关。具体的计算参见冷弯薄壁型钢构件技术规范。（2）受压腹板的屈曲后强度1）腹板受剪屈曲后的极限剪力aaaash/2h/2ABoABh/2T1TwVt/2Nstasin2T1+T1Tw（a）（b）图5.27 张力场作用下的剪切计算图2）腹板受弯屈曲后梁的极限弯矩(a)(b)xx(c)thhc(d)0.5hc图5.28 受弯矩作用时腹板的有效宽度3）同时受弯和受剪的腹板强度 梁腹板常
29、在大范围内同时承受弯矩 和剪力 。这时腹板屈曲后对梁承载力的影响比较复杂，一般用 和 的无量纲化相关曲线来表示腹板的强度关系（图5.29）。图中假定当弯矩不超过翼缘所提供的最大弯矩 时（为一个翼缘截面面积，为上下翼缘轴线间的距离），腹板不参与承担弯矩作用，即假定在 的范围内为一水平线，。MVMVfhAM1fffA1hfMM 0.1/uVV0.51.01.00.50ABV/VuMf/MeuM/Meu图5.29 弯矩于剪力的相关曲线5.5.2 5.5.2 考虑腹板屈曲后的的梁设计考虑腹板屈曲后的的梁设计（1）腹板屈曲后的抗剪承载力（2）腹板屈曲后的抗弯承载力 腹板屈曲后的抗弯承载力用由于腹板屈曲后
30、使梁的抗弯承载力下降不大，在计算梁腹板屈曲后的抗弯承载力时，规范采用下面介绍的近似公式来计算抗弯承载力。根据有效截面的概念，假定腹板受压区有效宽度为 ,等分在 的两端，中部则扣去 的高度，梁的中和轴也由下降。现假定腹板受拉区与受压区同样扣去此高度(图5.30)，这样中和轴可不变动，计算较为简便。chchc)1(h(a)hc(1-)hcxx(b)(c)(d)0.5hc0.5hc0.5hc图5.30(3)考虑腹板屈曲后强度的梁的计算式(4)考虑腹板屈曲后强度的加劲肋设计特点5.6 5.6 型钢梁设计型钢梁设计 型钢梁中应用最多的是热轧普通工字钢和H型钢。热轧型钢梁只需满足强度、刚度和整体稳定的要求
31、，而不需计算局部稳定。其设计方法是：首先根据建筑要求的跨度及预先假定的结构构造，算出梁的最大弯矩设计值，按此选择型钢截面，然后进行各种验算。5.6.1 5.6.1 单向受弯型钢梁单向受弯型钢梁(1)选择截面 先计算梁的最大弯矩 ，由 从型钢表中取用与 值相近的型钢号。此时可预先估算一个自重求出 ，求出截面后按实际自重进行验算，也可先不考虑自重计算出 ，选出截面后按实际自重进行验算。xMfWMnxxxnxWxMnxW(2)截面验算1）强度验算a）根据所选型钢的实际截面参数 ，按 验算抗弯强度；b）有集中力作用时，按 进行局部压应力验算；c）按 验算抗剪强度，通常情况下可略去；d）验算弯矩及剪力较
32、大的截面上的折算应力，通常情况下可略去。2）整体稳定验算nxWfWMnxxxfltFzwcvwxftIVSfWMxbx（3）刚度验算 按材料力学公式根据荷载标准值算出最大挠度 ，应小于容许挠度值 （按表5.1选取）。也可采用相对挠度计算，例如均布荷载下的简支梁：lEIlMlxx485 例 5.25.6.2 5.6.2 双向弯曲型钢梁双向弯曲型钢梁 铺放在屋架上的檩条属于典型的双向弯曲梁（1）檩条的截面形式 有型钢和桁架两种形式 型钢檩条截面形式 (a)平面桁架钢箍T形桁架(b)1-1空间桁架(c)腹杆11桁架檩条截面形式(2)型钢檩条和拉条的布置 天窗拉条(a)屋架屋脊线檩条撑杆斜拉条天窗(b
33、)(c)sllls5.6.3 5.6.3 型钢檩条的设计与计算型钢檩条的设计与计算(1)檩条的受力 斜放檩条受竖向荷载作用，荷载作用线不与檩条截面形心主轴平行且不通过剪力中心S时，檩条除产生双向弯曲外还产生扭转。(a)(b)(c)x0yfaqyqqx1yxxqyysoyyxxx0q0y0yx=-yyqxqyq1y1xx=|-|qxx1 (2)檩条的计算 型钢檩条的设计，一般是根据设计经验先假定采用截面的型号，然后进行验算。对于型钢檩条，一般只验算弯曲正应力，而不必验算剪应力及局部压应力。1）弯曲正应力验算fWMWMnyyynxxx2）稳定验算 当屋面板对檩条不能起可靠的侧向支承作用时，应对檩条
34、进行稳定验算，验算公式为 fWMWMyyyxbx 3）刚度计算 为使屋面平整，一般只验算垂直于屋面方向的简支梁挠度，使其不超过容许挠度。对槽形截面檩条 对单角钢和Z型钢 1x4ky3845EIlq 1x4kcos3845EIalq例 5.35.7 5.7 焊接组合梁设计焊接组合梁设计5.7.15.7.1截面设计截面设计 焊接组合梁截面设计所需确定的截面尺寸为截面高度（腹扳高度 ）、腹扳厚度 、翼缘宽度 及厚度 。焊接组合梁截面设计的任务是：合理的确定 、，以满足梁的强度、刚度、整体稳定及局部稳定等要求。并能节省钢材，经济合理。设计的顺序是首先定出 ，然后选定 ，最后定出 和 。h0hwtbt0
35、hwtbt0hwtbt(1)截面高度（腹板高度）梁的截面高度应根据建筑高度、刚度要求及经济要求确定。建筑高度是指按使用要求所允许的梁的最大高度。设计梁截面时要求 。maxhh 刚度要求是指为保证正常使用条件下，梁的挠度不超过容许挠度（tolerate deflection）,即限制梁高h不能小于最小梁高 。受均布荷载作用的简支梁，其最小高度为：经济高度考虑用钢量为最小来决定。根据上述三个条件，实际所取梁高应满足：且 (2)腹扳厚度 腹扳主要承担梁的剪力，其厚度要满足抗剪强度要求。计算时近似假定最大剪应力为腹扳平均剪应力的1.2倍，即minh30073xeWh 11025.162min flhm
36、axminhhhehh Vw0wxmax2.1fthVtIVSV0w2.1fhVt 考虑腹扳局部稳定及构造要求，腹扳不宜太薄，可用下列经验公式估算 5.3/0wht(3)翼缘宽度 及厚度bt 腹扳尺寸确定之后，可按强度条件（即所需截面抵抗矩）确定翼缘面积 。对于工形截面：算出Af之后,设定b、t中任一数值，即可确定另一个数值。选定b、t时应注意构造和局部稳定的要求。btA f6w00 xthhWAf 5.7.2 5.7.2 截面验算截面验算 截面尺寸确定后，按实际选定尺寸计算各项截面几何特性，验算抗弯、抗剪、局部压应力、折算应力、整体稳定、刚度及翼缘局部稳定等要求是否满足。腹扳局部稳定由设置加
37、劲肋来保证，或计算腹板屈曲后的强度。如果梁截面尺寸沿跨长有变化，应将截面改变设计之后进行抗剪强度、刚度、折算应力验算。5.7.3 5.7.3 梁截面沿长度的改变梁截面沿长度的改变 对于跨度较大的工字形截面梁，为节省钢材，可在半跨内改变一次翼缘宽度，如图所示。1-11:41122-22bxl/2bVmaxMmaxM1V1bb梁翼缘宽度的改变5.7.4 5.7.4 翼缘焊缝的计算翼缘焊缝的计算 梁弯曲时翼缘焊缝的作用是阻止腹板和翼缘之间产生滑移，因而承受与焊缝平行方向的剪应力 ，其单位梁长上的剪力为：w11/ItVS(a)(b)PPPPA1111A翼缘焊缝的受力情况则翼缘焊缝应满足强度条件：得：当
38、梁的翼缘上还承受集中力产生的垂直剪力作用时，单位长度的垂直剪力为：wff1f7.02flhT IfVSfThwf1wf1f4.14.1 IVStT1w11 zwwzwc1IFttIFtV 在 和 的共同作用下，翼缘焊缝强度应满足下式要求：由此得：1T1Vwf2ff12f17.027.02fhVhT2f121wff4.11VTfh5.8 5.8 钢梁的连接构造钢梁的连接构造5.8.1 5.8.1 梁的拼接梁的拼接 梁的拼接分为工厂拼接和工地拼接两种。(1)工厂拼接tw10tw焊接梁的工厂拼接 如果梁的长度、高度大于钢材的尺寸，常需要先将腹板和翼缘用几段钢材拼接起来，然后再焊接成梁。这些工作一般在
39、工厂进行，因此称为工厂拼接。(2)工地拼接 跨度大的梁，由于运输或吊装条件限制，需将梁分成几段运至工地或吊至高空就位后再拼接起来，称为工地拼接。(a)11424553(b)500500焊接梁的工地拼接 拼接处一般布置在梁弯矩较小的部位，常常将腹板和翼缘在同一截面断开以便于运输和吊装。也可以将翼缘和腹板拼接位置略微错开，但这种方式在运输、吊装时需要对端部凸出部分加以保护，以免碰损。5.8.2 5.8.2 次梁与主梁的连接次梁与主梁的连接(1)简支次梁与主梁的连接 这种连接的特点是次梁只有支座反力传给主梁。其形式有叠接和侧面连接两种，叠接时，次梁直接搁置在主梁上，用螺栓和焊缝固定，这种构造简单，但
40、占用建筑高度大，连接刚性差一些。21叠接 侧面连接 侧面连接是将次梁端部上翼缘切去，端部下翼缘则切去一边，然后将次梁端部与主梁加劲肋用螺栓相连。(2)连续次梁与主梁连接 这种连接也分叠接和侧面连接两种形式。叠接时，次梁在主梁处不断开，直接搁置于主梁并用螺栓或焊缝固定。次梁只有支座反力传给主梁。侧面连接时，次梁要断开，分别连于主梁两侧，除支座反力传给主梁外，连续次梁在主梁支座处的左右弯矩也要通过主梁传递。因此构造稍复杂一些，常用的形式如图5.55所示。按图中构造，先在主梁上（次梁相应位置处）焊上承托，承托由竖板及水平顶板组成图5.55(a)。安装时先将次梁端部上翼缘切去后安放在主梁承托水平板上，
41、用安装螺栓定位，再将次梁下翼缘与顶板焊牢图5.55(b)，最后用连接盖板将主次梁上翼缘用焊缝连接起来图5.55(c)。为避免仰焊，连接盖板的宽度应比次梁上翼缘稍窄，承托顶板的宽度则应比次梁下翼缘稍宽。(c)5413125(a)1231N1N(b)2324534RRh1M1.主 梁2.承 托 竖 板3.承 托 水 平 顶 板4.次 梁5.盖 板图5.55 连续次梁与主梁连接的过程 在图5.55的连接中，次梁支座反力直接传递给承托顶板，再传至主梁。左右次梁的支座负弯矩则分解为上翼缘的拉力和下翼缘的压力组成的力偶。上翼缘的拉力由连接盖板传递，下翼缘的压力传给承托顶板后，再由承托顶板传给主梁腹板。这样
42、次梁上翼缘与连接盖板之间的焊缝、次梁下翼缘与承托顶板之间的焊缝以及承托顶板与主梁腹板之间的焊缝应按各自传递的拉力或压力设计。钢结构各种构件连接形式种类很多，形式各异，设计时，首先要分析连接的传力途径，研究传力是否安全，同时也要注意构造布置是否合理，施工是否方便，只有综合考虑了上述问题，才能作好设计工作。5.9.1 5.9.1 蜂窝梁蜂窝梁 将H型钢沿腹板的折线切割成的两部分，然后齿尖对齿尖地焊合后，形成腹板有孔洞的工字形梁，这就是蜂窝梁。与原H型钢相比，蜂窝梁的承载力及刚度均显著增大，是一种经济、合理的截面形式，而且便于管线穿越。V/2V/2V/2V/2V/2V/2V/2V/2haabba-a
43、(a)(b)(c)蜂窝梁5.9 5.9 其他梁设计其他梁设计5.9.2 5.9.2 异种钢组合梁异种钢组合梁 对于荷载和跨度较大的钢梁，当梁的截面由抗弯强度控制时，选强度较高的钢材用于主要承受弯矩的翼缘板，选强度较低的钢材用于主要承受剪力且常有富余的腹板，从而降低构件的成本。这种由不同种类的钢材制成的梁称之为异种钢组合梁。对于三块钢板组成的异种钢梁，受弯时截面正应力如图所示。ffy2fy2fy2y1fy1fy1异种钢组合梁 图示钢梁，在竖向荷载作用下，其跨中弯矩和挠曲变形随跨度增大而急剧增加。解决此问题的一种办法是在梁的下部用高强钢索（钢绞线）施加预拉力，由于预拉力的偏心作用，对梁截面产生反向
44、弯矩，抵消部分竖向荷载的作用，改善构件的受力方式，提高结构的承载力或增加结构的刚度。(a)(b)预应力梁钢索布置 预应力梁截面型式5.9.3 5.9.3 预应力钢梁预应力钢梁 5.9.4 5.9.4 钢混凝土组合梁钢混凝土组合梁 钢混凝土组合梁是只通过抗剪连接件将钢梁与混凝土板连成整体而共同工作的抗弯构件。这种结构形式能够充分发挥混凝土材料抗压和钢材抗拉性能好的优势，两种材料组合后的整体工作性能明显优于二者性能的简单叠加。同钢筋混凝土相比，钢混凝土组合结构可以大大减轻自重，减小构件截面尺寸，增加有效使用空间，降低基础造价，减小地震作用，节省支模工序及摸板，缩短施工周期，增加构件和结构的延性等。同钢结构相比，可以减少用钢量，降低造价，提高刚度，增加稳定性的整体性，增加结构的抗火性和耐久性。
