钢结构基本构件的设计

钢结构基本构件的设计

作者：方磊

来源：《科学与财富》2011年第10期

[摘 要] 我国的钢结构科学技术和工程建设正处在蓬勃发展时期。现在计算机辅助设计十分普遍,但是钢结构设计并不完全依赖电脑计算的结果。这就要求设计人员必须掌握与此相关的各种知识。本文论述的几个问题几乎是任何一项钢结构设计都要遇到的基本问题。 [关键词] 钢结构 基本构件 设计

我国的钢结构科学技术和工程建设正处在蓬勃发展时期。现在计算机辅助设计十分普遍,但是钢结构设计并不完全依赖电脑计算的结果。这就要求设计人员必须掌握与此相关的各种知识。

1．轴心受力构件 1．1应用和截面型式

轴心受力构件分轴心受拉和轴心受压两种，前者简称为拉杆，后者简称为压杆，但当压杆为竖向构件并用以支承屋盖或楼盖等时则常称为柱，或轴心受压柱。轴心受力构件广泛应用于各种平面和空间桁架(包括塔架和网架)中，是组成桁架的主要承重构件。轴心受压构件还常用作支承其他结构的承重柱。此外，各种支撑系统中的构件也都是按轴心受力考虑。 轴心受力构件的截面有多种形式。选型时要注意：(1)形状应力求简单，以减少制造工作量；(2)截面宜具有对称轴，使构件有良好的工作性能；(3)要便于与其他构件连接；(4)在同样截面积下应使其具有较大的惯性矩，亦即构件的材料宜向截面四周扩展，从而减小构件的长细比；(5)尽可能使构件在截面两个主轴方向为等刚度.

常用的截面形式为轧制型锕截面，制造工作量最少是其优点。圆钢因截面回转半径小，只宜作拉杆；钢管常在网架中用作以球结点相连的杆件，也可用作桁架杆件，不论是用作拉杆或压杆，都具有较大的优越性，但其价格较其他型钢略高；单角钢截面两主轴与角钢边不平行，如用角钢边与其他构件相连，不易做到轴心受力，因而常用于次要构件或受力不大的拉杆；轧制普通工字钢因两主轴方向的惯性矩相差较大，对其较难做到等刚度，除非沿其强轴x方向设置中间侧向支点。热轧H型钢由于翼缘宽度较大，且为等厚度，常用作柱截面，可节省制造工作量。热轧剖分T型钢可用作桁架的弦杆，可节省连接用的结点板。

在冷弯薄壁型钢中，常用作轴心受力构件截面的形式，其设计应按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》进行。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

1．2破坏方式及计算内容

拉杆的破坏主要是钢材屈服或被拉断，两者都属于强度破坏。压杆的破坏则主要是由于构件失去整体稳定性(或称屈曲)或组成构件的板件局部失去稳定性；当构件上有螺栓孔等使截面有较多削弱时，也可能因强度不足而破坏。因此，对压杆通常要计算构件的整体稳定性、组成构件的局部稳定性和截面的强度三项，而对拉杆只要计算强度一项。这些计算内容，都属于按承载能力极限状态计算，计算时应采用荷载的设计值。

轴心受力构件在正常使用状态下的最大伸长或压缩应变通常为千分之一左右，其值甚小。因此，对轴心受力构件并不要求验算其轴向变形。但轴心受力构件如果过分细长，则在制造、运输和安装时很易弯曲变形；在构件不是处于竖向位置时，其自重也常可使构件产生较大的挠度；对承受动力荷载的构件还将产生较大的振幅。 1．3截面设计

拉杆截面的设计较为简单。在选定了构件截面形式和所用钢材的牌号后，即可根据构件的内力设计值N和构件在两个方向的计算长度ι0x和ι0y按强度和刚度求得需要的构件截面面积和必须具有的回转半径ix和iy由型钢表上选取采用的截面尺寸，然后分别验算截面的强度和刚度。压杆截面的设计首先是选定截面形式，务使所设计的压杆截面用钢量最省，制造简单和便于与其他构件相连接。实腹式轴压柱的常用截面在我国过去由于热轧H型钢还未投产，因而主要是焊接工字形和焊接箱形截面。 2．受弯构件 2．1应用和类型 2．1．1应用

受弯构件也称梁，在钢结构中是应用较广的一种基本构件。在房屋建筑领域内，钢梁主要用于多层和高层房屋中的楼盖梁、工厂中的工作平台梁、吊车梁、墙架梁以及屋盖体系中的檩条等。在其他土木建筑领域内，受弯构件也是很重要的基本构件，如各种大跨度桥梁中的桥面系，水工结构中的钢闸门等也大多由钢交叉梁系构成。 2．1．2类型

梁主要用以承受横向荷载，梁截面必须具有较大的抗弯刚度，因而其最经济的截面形式是工字形(含H形)或箱形，某些次要构件如墙架梁和檩条等也可采用槽形截面。按支承情况，有单跨简支、多跨连续和两端固定梁等。单跨简支梁在制造、安装、修理和拆换等方面均较方便，且内力又不受温度变化或支座沉陷等的影响，在钢梁中应用最多。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

按制作方法，有型钢梁和板梁两大类。型钢梁由热轧型钢制成，主要包括热轧H型钢、热轧普通工字钢和热轧普通槽钢。热轧型钢由于轧制条件的限制，其腹板厚度一般偏大，用钢量可能较多，但制造省工，构造简单，因而当可用型钢梁时应尽量采用之。板梁常称为组合梁，组合梁的意思是说其截面由钢板组合而成，为了避免在名称上与钢和混凝土组合梁相混淆，这里称前者为板梁。板梁主要由钢板组成，有工字形板梁和箱形板梁两大类。目前绝大多数板梁是焊接而成，也有荷载特重或抵抗动力荷载作用要求较高的少数梁可采用高强度螺栓摩擦型连接。由于工字形板梁的腹板厚度可以选得较薄，可减少用钢量。中型和重型钢梁除采用热轧H型钢外常采用焊接工字形板梁。当荷载较大且梁的截面高度受到限制或梁的抗扭性能要求较高时，可采用箱形截面板梁。 2．2计算内容

受弯构件应计算的内容较多，首先是下列五项：(1)截面的强度；(2)构件的整体稳定；(3)构件的局部稳定；(4)腹板的屈曲后强度；(5)构件的刚度一挠度。通过上述计算可确定所选构件截面是否可靠和适用。五项内容中前四项属按承载能力极限状态的计算，需采用荷载的设计值。第五项为按正常使用极限状态的计算，计算挠度时按荷载标准值进行。受弯构件常承受动力荷载的重复作用，按规范的规定当应力变化的循环次数等于或大于5X104次时，应进行疲劳计算。

3．拉弯构件和压弯构件 3．1应用和类型

同时承受弯矩和轴心拉力或轴心压力的构件称为拉弯构件或压弯构件。承受节间荷载的简支桁架下弦杆是拉弯构件的典型例子。压弯构件的应用广泛，例如承受节间荷载的简支桁架上弦杆、单层厂房的框架柱、多层和高层房屋框架的柱子等都是常见的压弯构件，其应用远较拉弯构件和前面讲述的轴心受压构件为广泛。在计算和设计方面，压弯构件较拉弯构件为复杂，因此以下主要介绍压弯构件，兼顾拉弯构件。

压弯构件常采用单轴对称或双轴对称的截面。当弯矩只作用在构件的最大刚度平面内时称为单向压弯构件，在两个主平面内都有弯矩作用的构件称为双向压弯构件。工程结构中大多数压弯构件可按单向压弯构件考虑。 3．2计算内容

对单向压弯构件，根据其到达承载能力极限状态时的破坏形式，应计算其强度、弯矩作用平面内的稳定、弯矩作用平面外的稳定和组成板件的局部稳定。当为格构式构件时还应计算分肢的稳定。为了保证其正常使用，则应验算构件的长细比。对两端支承的压弯构件，当跨中有横向荷载时，还应验算其挠度。对拉弯构件，一般只需计算其强度和长细比，不需计算其稳定。但在拉弯构件所受弯矩较大而拉力较小时，由于作用已接近受弯构件，就需要验算其整体

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

稳定；在拉力和弯矩作用下出现翼缘板受压时，也需验算翼缘板的局部稳定。这些当由设计人员根据具体情况加以判定。 4．结束语

可见，对钢结构的材料特性、钢结构的连接、钢结构基本构件的受力性能及其设计原理的进一步认识，其目的是认识钢结构的特点、受力性能，掌握钢结构基本构件和连接的设计方法，为进行较复杂钢结构的设计和研究打下基础。■ 参 考 文 献

[1]王强.建筑物的结构设计[M].上海：上海科学技术出版社，2006. [2]中国建筑科学研究院.混凝土实用手册[M].北京：中国建工出版社.2001