用鋼材製造的梁。廠房中的(de)吊(diào)車梁(liáng)和工作平台梁、多層建築中的樓麵梁、屋頂結構中的檁條(tiáo)等,都可以采用(yòng)鋼梁。
型鋼梁
用熱軋成型的工字鋼或槽鋼等製(zhì)成(見熱軋型鋼),檁(lǐn)條等輕型梁還可以采用冷彎成型的Z型鋼和槽鋼(見冷彎型鋼)。型鋼梁加工簡(jiǎn)單(dān)、造價較廉,但(dàn)型鋼截(jié)麵尺寸(cùn)受到一定(dìng)規格的限製。當荷載和跨度較大,采用型鋼截麵不能滿足強度、剛度或(huò)穩定(dìng)要求時(shí),則(zé)采用組合梁。
組合梁
由鋼板(bǎn)或型鋼焊接或鉚接而成。由於鉚接費工費料,常以焊接為主。常用的焊(hàn)接(jiē)組合梁為由上、下翼緣板和腹板組(zǔ)成的工形截麵和箱形截麵,後者較費料,且製(zhì)作(zuò)工序較繁雜,但具有較大的抗彎剛度和抗扭剛度,適用(yòng)於有側向荷載和抗扭(niǔ)要求較高或梁高受到限製等情況。
鋼結構鋼梁工程計算
鋼梁截麵的大小(xiǎo)都須經計算確定,並滿(mǎn)足強度、整體穩定和剛度三個主要(yào)要求。前兩個保證(zhèng)鋼梁(liáng)在使用中的安全,後者保(bǎo)證不會(huì)產生過大的變形以利正常使用。組合(hé)梁的截麵尺寸除滿足上(shàng)述三項要(yào)求外,還必須滿足各(gè)組(zǔ)成件的局(jú)部穩定要求。熱軋(zhá)型鋼截麵的厚度較大,局部穩定一般可以得到保證。
強度
鋼梁的強(qiáng)度包括抵抗彎曲、剪切以及豎向局部承壓的(de)能力。抗(kàng)彎能力(lì)可由材料力學中的彎曲應力(lì)公式求得(見梁的基本理論)。當按彈性階段設計時,取計算截麵的邊緣纖維應力達到鋼材的屈(qū)服點作(zuò)為極(jí)限狀態。邊緣纖維應力達到屈服點後,梁實際上還可繼續承受(shòu)荷載。隨著荷(hé)載的繼續加大,最(zuì)大(dà)彎矩所在截麵上的塑性變形沿截麵從邊緣向中央不斷發展和擴大,最後在(zài)該截麵處形(xíng)成塑性鉸。梁上出現使梁成(chéng)為可動機構(gòu)的一定數量的塑性鉸(jiǎo)後,梁即到達抗彎的極限狀(zhuàng)態而破壞。當按塑性設計時,考慮梁上形(xíng)成塑性鉸及(jí)由此引起的內(nèi)力重分布。采用塑性設計的鋼梁,與按彈性(xìng)階段設計的梁相比較,可減小截(jié)麵尺寸,節(jiē)省鋼材,但一般隻適用(yòng)於受靜力荷載的熱軋型鋼梁和等截(jié)麵焊接組合梁,同時組合梁板件的寬厚比應有較嚴格的限(xiàn)製,以免板件局部失穩而降低梁的承載能力。
鋼梁的(de)抗剪能力
鋼梁的抗剪能力,也可按材料力學中的有關公式計算(suàn)。為(wéi)了簡化,通常(cháng)假定剪(jiǎn)力完全由腹板的計算截麵平均承受。型鋼的腹板較厚,抗剪強度一般都能(néng)滿(mǎn)足(zú)設計要求。當梁的抗彎強度按塑性階(jiē)段設計時,剪(jiǎn)力的存在(zài)會加速塑性鉸的形成;因此,對最大彎矩截麵上的剪應(yīng)力,應有比(bǐ)較嚴(yán)格的限製。
鋼(gāng)梁(liáng)上承(chéng)受固定(dìng)集中荷載處(包括梁的支座處),當荷載作用(yòng)在(zài)翼緣上時,該處翼緣(yuán)與腹(fù)板交界部位的腹板水平截麵,應具有足夠的抗豎向局(jú)部壓力(lì)的(de)能力。承受豎向(xiàng)局部壓力的腹板水(shuǐ)平(píng)截麵的麵(miàn)積,為該豎向壓力在所驗算水平截麵上(shàng)的假定分布長度與腹板厚度的乘積,並(bìng)假定豎向壓應(yīng)力在該水平截麵上為均勻分布。若計算截麵(miàn)的抗豎向局部承壓能力不足(zú),可放大支承(chéng)豎向(xiàng)荷載墊板的(de)長度,或在該處設置腹(fù)板的加勁肋。
整(zhěng)體穩定
在豎向荷載作用下,鋼梁一般隻(zhī)產生豎向位移(即撓度),但對側向剛度較差的工字形截麵或(huò)槽形截麵鋼梁,當梁的自由長度(側向無支承長度)較大時,荷載加大到一定程度,常會迅速產生較(jiào)大的側向位移(yí)和(hé)扭轉(zhuǎn)變形,使梁隨即喪失承載能力的現象稱為喪失整(zhěng)體穩定或側扭屈曲。當梁的自由(yóu)長度(dù)較大和受壓翼(yì)緣寬度(dù)較小時,使梁喪失(shī)整體穩定的(de)臨(lín)界荷載常小(xiǎo)於強度破壞的(de)荷(hé)載,因此,對梁的截麵除應計算抗彎(wān)強度外,還必須驗算整體(tǐ)穩定性。影響該臨界荷載大小的(de)因素很多,如截麵的形狀和(hé)尺寸,荷載的類型和其在截麵上作用點的高(gāo)度,自由長度的大小和梁端部的支承方式等。增加整體穩定性的最有效辦法是在跨中設置(zhì)側向支承和加大受壓翼緣板的寬度(dù)。此外,在任何鋼梁的支座處都應采(cǎi)取構造措施,使該處截麵不能產生側向位移和繞梁軸的轉動(見結構穩(wěn)定)。
剛度
梁在正(zhèng)常使用條件下的最大豎向位(wèi)移(yí)(撓度(dù)),不應超過設計規範中對各種不同用途的梁所規定的最(zuì)大容許變形值。梁的撓度大小與梁截麵的抗彎剛度(彈性(xìng)模量和截麵慣性矩的乘積)成反比,剛度愈(yù)大,撓度愈小。采用(yòng)較高的截麵,可提高梁的剛度。
局部穩定
當梁的腹板和(hé)翼緣(yuán)厚度(dù)不足時,可能在全梁因強度破壞或喪失(shī)整體穩定之前,受壓翼緣或腹板就已形成波狀凹(āo)凸而失去(qù)其原來的平麵形態的現象稱(chēng)局部屈曲或喪失局(jú)部(bù)穩定(圖2)。局部屈曲將改變截麵形狀(zhuàng)而惡化梁的工作狀態,有(yǒu)可能促使梁提(tí)前喪失承載能力。為此,對受(shòu)壓(yā)翼緣板的寬厚比應有限製。對於腹板,當高厚比(bǐ)較大時,則(zé)須用橫(héng)向加(jiā)勁肋或縱、橫向加勁肋予以加強,把整塊腹板分成若幹小區格。
鋼梁加勁肋 焊在腹板兩側用以防止腹板喪失局部穩定的條形鋼板。
①中間(jiān)加勁肋(lèi)。有橫向和縱向(xiàng)兩種。橫向(xiàng)加勁肋主要用於增強腹板抵(dǐ)抗(kàng)因受(shòu)剪而局部屈曲的能力,間距由腹板高厚比和板中應力的大小經(jīng)計算確定(dìng)。縱向加勁肋主要用以增強腹板(bǎn)抵抗因彎曲壓應力而屈曲(qǔ)的能力(lì),設在腹板的受壓區,位於離(lí)腹板受壓邊緣為腹板高度的1/4~1/5處,可沿梁(liáng)的(de)全長設置,也可隻(zhī)在彎曲壓(yā)應力較大的區間內局部設置(zhì)。加勁肋的截麵應有足夠的剛度。
② 支承加勁肋(lèi)。設置於梁(liáng)的支(zhī)座處和固定(dìng)集中荷(hé)載處,除有中間橫向加(jiā)勁肋的作用外,主要用(yòng)以傳(chuán)遞梁(liáng)所受的集(jí)中力,改善腹板在豎向壓力(lì)下的工作性能。設(shè)計時將支承加勁肋及其兩側(cè)的部分腹板看作一個軸心壓杆(gǎn),驗算此壓杆在支座集(jí)中反力或集中荷載作(zuò)用下在腹板平麵外的穩定性。此外,為了傳遞所受集中力,加勁肋的端部還應(yīng)有足夠的承(chéng)壓麵積刨平抵緊於翼緣板上(shàng)。
腹板屈曲後強度
腹板區(qū)格局(jú)部屈曲後將會產生平麵外位(wèi)移,但與此同時,由於該區格四周與翼緣板和加勁肋分(fèn)別(bié)牢固相連,腹板內隨即產生薄膜張力來阻止平麵外位移的增大,使腹板屈(qū)曲後還可繼續承受荷(hé)載的狀態稱腹板屈曲後強度。研究利用它,可節省鋼材,具有一定經濟意義;但(dàn)一般隻適用於受靜力荷載的鋼梁。