鋼梁在鋼結(jié)構(gòu)中的應用

王忠杰 付俊強

摘要:文章簡要介紹了鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的廣泛應用,總結(jié)了國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和使用,闡述了鋼梁在多、高層等建筑領(lǐng)域中的受力機理和概率極限狀態(tài)的設計方法。

關(guān)鍵詞:鋼梁;土木工程;鋼結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TU391 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)20-0152-01

輕鋼建筑在一些發(fā)達國家已被廣泛應用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑,而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕、強度高、施工快等獨特優(yōu)點,因此對高層、大跨度,尤其是超高層、超大跨度,采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。鋼結(jié)構(gòu)體系有著巨大的發(fā)展?jié)摿屠硐氲陌l(fā)展前景,鋼梁作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件,其力學性能必將在今后

的發(fā)展中更加完善、合理。

1鋼結(jié)構(gòu)的應用

世界上已經(jīng)建成的幾個純鋼結(jié)構(gòu)建筑為目前世界上最高的超高層建筑,如美國紐約帝國大廈,美國紐約世界貿(mào)易中心,美國芝加哥西爾斯大廈,馬來西亞雙塔石油大廈等。巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系[1],它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能,是一種很有發(fā)展前景的鋼結(jié)構(gòu)。

大跨度或較大跨度大多采用鋼結(jié)構(gòu),大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館、會議展覽中心、博覽館、候機廳、飛機庫等。最早的大跨度平板網(wǎng)架是上世紀60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學體育館。世界上跨度最大的斜拉索橋為日本的多多羅大橋,最大的懸索橋為日本的名石大橋,公路鐵路兩用最大跨度橋為香港的青馬大橋。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是美國雷里競技館。另外,歷屆奧運會、博覽會等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。

2鋼梁的力學特性

鋼梁在其對稱軸平面內(nèi)的橫向荷載作用下,一般只在該平面內(nèi)產(chǎn)生彎矩、剪力和撓度。但是,由于鋼梁的截面通常為高而窄的工字形或槽形,側(cè)向抗彎剛度和抗扭剛度較小,還可能發(fā)生側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲而喪失整體穩(wěn)定[2]。對于組合梁而言,當腹板或翼緣相對較薄時,還可能在受壓區(qū)發(fā)生局部失穩(wěn)而破壞。因此,設計鋼梁時須全面考慮并分別驗算其彎應力與剪應力強度、撓度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。

在豎向荷載作用下,鋼梁一般只產(chǎn)生豎向位移,但對側(cè)向剛度較差的工字形截面或槽形截面鋼梁,當梁的自由長度較大時,荷載加大到一定程度,常會迅速產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形,使梁隨即喪失承載能力的現(xiàn)象稱為喪失整體穩(wěn)定或側(cè)扭屈曲。根據(jù)試驗,一般低碳鋼和低合金鋼試件在受彎時,如同簡單拉伸試驗一樣,也存在著屈服強度和屈服臺階,可視作理想的彈性塑性體。而且在超過彈性范圍受彎時仍符合彎曲構(gòu)件應變的平面假定。因此,在靜力荷載作用下,鋼梁的彎曲大致可劃分為三個應力階段。

鋼梁的強度包括抵抗彎曲、剪切以及豎向局部承壓的能力?？箯澞芰捎刹牧狭W中的彎曲應力公式求得。當按塑性設計時,考慮梁上形成塑性鉸及由此引起的內(nèi)力重分布。采用塑性設計的鋼梁,與按彈性階段設計的梁相比較,可減小截面尺寸,節(jié)省鋼材,但一般只適用于受靜力荷載的熱軋型鋼梁和等截面焊接組合梁,同時組合梁板件的寬厚比應有較嚴格的限制,以免板件局部失穩(wěn)而降低梁的承載能力。當按彈性階段設計時,取計算截面的邊緣纖維應力達到鋼材的屈服點作為極限狀態(tài)。邊緣纖維應力達到屈服點后,梁實際上還可繼續(xù)承受荷載。隨著荷載的繼續(xù)加大,最大彎矩所在截面上的塑性變形沿截面從邊緣向中央不斷發(fā)展和擴大,最后在該截面處形成塑性鉸。梁上出現(xiàn)使梁成為可動機構(gòu)的一定數(shù)量的塑性鉸后,梁即到達抗彎的極限狀態(tài)而破壞。鋼梁的抗剪能力,也可按材料力學中的有關(guān)公式計算。為了簡化,通常假定剪力完全由腹板的計算截面平均承受。型鋼的腹板較厚,抗剪強度一般都能滿足設計要求。當梁的抗彎強度按塑性階段設計時,剪力的存在會加速塑性鉸的形成;因此,對最大彎矩截面上的剪應力,應有比較嚴格的限制。

鋼梁上承受固定集中荷載處,當荷載作用在翼緣上時,該處翼緣與腹板交界部位的腹板水平截面,應具有足夠的抗豎向局部壓力的能力。承受豎向局部壓力的腹板水平截面的面積,為該豎向壓力在所驗算水平截面上的假定分布長度與腹板厚度的乘積,并假定豎向壓應力在該水平截面上為均勻分布。若計算截面的抗豎向局部承壓能力不足,可放大支承豎向荷載墊板的長度,或在該處設置腹板的加勁肋。

參考文獻:

[1] Clough R W.The finite element in plane stress analysis[A].In:Proc.2ndASCE Conf.on Electronic Computation[C].1960.