工字形鋼梁板件允許寬厚比的取值與改進

于潔，謝新濤，汪一駿

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

工字形鋼梁板件允許寬厚比的取值與改進

于潔，謝新濤，汪一駿

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

工字形截面鋼梁由上下兩塊水平翼緣板與一塊豎腹板組成。構件截面的翼緣與腹板板件的允許寬厚比是保證工字形鋼梁板件局部穩(wěn)定性和截面塑性變形的重要措施。目前國內外規(guī)范對其限值規(guī)定不同。在論述國內外有關鋼結構設計規(guī)范及正在修編的《鋼結構設計規(guī)范》、《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》的基礎上，對板件寬厚比在不同適用條件的限值提出明確規(guī)定，同時對于不同鋼號的修正系數(shù)公式提出修改建議。

翼緣 腹板 寬厚比 實際最大應力 鋼號修正系數(shù)

1 概述

工字形鋼梁截面受壓翼緣外伸寬度b1與其厚度tf的比值及腹板高度h0與其厚度tw的比值應分別滿足b1/tf≤α1，h0/tw≤α2。國內外規(guī)范中α1，α2有不同的取值。

工字形梁截面如圖1所示。

圖1 工字形梁截面

由圖1可知，受壓翼緣外伸寬度對于焊接b1=(bf－tw)/2，h0=h－2tf;對于軋制b1=(bf－tw－2r)/2，h0=h－2tf－2r。

本文重點論述α1，α2及采用非Q235鋼材時的修正系數(shù)εk的表達式。

2 國內外規(guī)范對α1及α2的規(guī)定

美國［1］、歐洲［2］、日本［3］及我國規(guī)范［4-7］對α1，α2的規(guī)定對比見表1。

依據表1，分析如下:

1)表1中均為Q235鋼的α1，α2取值，其他鋼號的α1，α2除說明外應乘以鋼號修正系數(shù)εk。

2)表中序號4為文獻［4］中多高層房屋鋼結構的數(shù)據，與房屋高度無關，相當于GB 50017中的S1，S2截面設計等級。

3)表中均為梁的α1，α2數(shù)據。國外梁與柱的α1，α2取值大致相同，我國規(guī)范梁的α1，α2比柱稍嚴。

4)從表中看，我國GB 50017與國外規(guī)范大致相同，取α1=15合理?！堕T式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》規(guī)定，地震設計控制的構件應取13，與GB 50017送審稿中規(guī)定壓彎構件α1≤13是相同的。故本文建議壓彎構件和地震設計控制的構件α1取13。

5)腹板的高厚比超過規(guī)定時，可根據不同的受力情況，按有效面積計算，對強度影響相對要小。設置縱向加勁肋施工及維護麻煩，不優(yōu)先采用。

6)序號7中的α1限值不能滿足時，可加卷邊解決。

3 鋼號修正系數(shù)分析

1)公式中的fy為實際采用鋼材的屈服點，它是在截面強度用足的基礎上，即梁的最大壓應力σmax時。

2)鋼梁經常受穩(wěn)定性控制［8］，即

式中:Mx為梁截面最大彎矩;φb為梁的整體穩(wěn)定性系數(shù);Wx為梁最大剛度平面內的截面模量;f為梁鋼材的強度設計值;rx為梁平面內塑性發(fā)展系數(shù)。

3)綜合以上兩點應將εk公式分子中的Q235屈服點235 N/mm2以鋼材強度設計值f=215 N/mm2代替，分母fy以σmax代替，即按截面強度計算得出。當梁為穩(wěn)定性控制時，梁的實際最大應力σmax遠小于f。例如對于Q345，f=300 N/mm2(t≤16 mm)。

4)表1序號7中《冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范》［7］第5.6.8條中的σ1相當于本文中的σmax。

表1 主要國內外規(guī)范Q235鋼框架梁α1，α2的限值

4 計算示例

問題:高頻焊接H型鋼梁，截面尺寸高寬為250 mm×125 mm，翼緣腹板厚度均為3 mm，以H250×125 ×3×3表示。材質為Q235鋼，f=215 N/mm2。跨度3 m，兩端簡支。均布荷載作用于梁上翼緣，跨中無側向支撐。Mx=13 kN·m，Wx=120.57 cm3。要求計算梁翼緣寬厚比α1是否滿足局部穩(wěn)定性。解答如下。

對H250×125×3×3，Wx=120.57 cm3，梁平面外回轉半徑iy=2.57 cm，長細比λy=ly/iy=3 000/25.7 =117。

1)整體穩(wěn)定性檢算

φb=0.563(計算過程略)。按公式(1)

可見梁整體穩(wěn)定性滿足要求。

2)最大壓應力計算

最大壓應力［8］應滿足

式中，0.95為凈截面模量系數(shù)，rx暫取1.0。

3)局部穩(wěn)定性檢算

按規(guī)范α1=b1/tf=(125－3)/(2×3)=20.3＞15，不滿足要求。

4)如鋼材采用Q345，Mx=15 kN·m，f=300 N/mm2，φb=0.425(計算過程略)。

按公式(1)

滿足梁整體穩(wěn)定性要求。

按公式(2)

5 結論

1)關于受壓翼緣伸出寬度b1與其厚度tf的比值α1，一般取α1≤15εk，壓彎構件和主要抗震梁柱構件取α1≤13εk。

2)鋼號修正系數(shù)εk宜修改為按鋼梁強度計算確定，σmax≤f，該公式實際上已經不是鋼號修正系數(shù)而是應力修正系數(shù)。

3)推薦公式中的σmax雖表面上只反映了梁截面應力，但實際上它既考慮了鋼號修正，又考慮了截面實際應力大小對受壓翼緣寬度限值的貢獻，特別是對于穩(wěn)定性控制的梁將強度控制和穩(wěn)定性控制作了自然銜接，具有十分重要的意義。

4)當梁的設計為強度控制時，εk與現(xiàn)行規(guī)范基本相同，但當σmax小于Q235的強度設計值時，即使Q235鋼的梁也應考慮修正系數(shù)εk，且εk≠1。

5)單層工業(yè)廠房中的梁柱截面一般可采用S3，S4截面等級，可不驗算中震下的抗震強度。

［1］American Institute of Steel Construction，Inc．ANSI/AISC 360—05Specification for Structural Steel Buildings［S］．Chicago，Illinois，2005．

［2］European Committee for Standardization．BS EN 1993-1-1: 2005．Eurocode 3:Design of Steel Structures［S］．Brussels，2005．

［3］日本建筑學會．AIJ—2002鋼構造限界狀態(tài)設計指針·同解說［S］．東京:2002．

［4］中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部．GB 50011—2010建筑抗震設計規(guī)范［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［5］中華人民共和國建設部．GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2003．

［6］中華人民共和國建設部．CECS 102:2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程［S］．北京:中國計劃出版社，2002．

［7］中華人民共和國建設部．GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結構技術規(guī)范［S］．北京:中國計劃出版社，2002．

［8］中華人民共和國建設部．鋼結構設計手冊［S］．3版．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

(責任審編李付軍)

U443.32

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．03

1003-1995(2015)03-0009-03

2014-08-20;

2014-11-19

于潔(1966—)，女，北京人，工程師。