（北京南車(chē)時(shí)代機(jī)車(chē)車(chē)輛機(jī)械廠驗(yàn)收室，北京 102249）

鋼梁省材設(shè)計(jì)研究

張振祥

（北京南車(chē)時(shí)代機(jī)車(chē)車(chē)輛機(jī)械廠驗(yàn)收室，北京 102249）

鋼梁上翼緣板受壓，下翼緣板受拉，減薄或者去掉下翼緣板，在減薄的下翼緣板處增加高強(qiáng)鋼筋或鋼絲繩，就能補(bǔ)足或超出原下翼緣板所能承受的拉應(yīng)力。因?yàn)楦邚?qiáng)鋼筋或鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度比普通鋼板高很多，這種方法，能夠節(jié)省一部分鋼材。

鋼梁；等強(qiáng)設(shè)計(jì)；節(jié)省材料

1 鋼梁的種類。

鋼梁從結(jié)構(gòu)形式上可分成型工字鋼梁、焊接工字鋼梁、T型鋼梁，焊接雙腹鋼梁、花梁、異型鋼梁。

2 箱形鋼梁結(jié)構(gòu)。

箱形鋼梁，也稱為焊接雙腹鋼梁，典型的結(jié)構(gòu)是:上翼緣板，下翼緣板，腹板，大筋板，小筋板。上翼緣板承受鋼梁自身重量及載荷所產(chǎn)生的壓應(yīng)力。腹板和隔板保持整體剛度并承受剪力，腹板接近上翼緣板處輔助承擔(dān)部分壓應(yīng)力，腹板接近下翼緣板處輔助承擔(dān)部分拉應(yīng)力。下翼緣板，承受鋼梁自身重量及載荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3 鋼梁節(jié)省材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)于箱形鋼梁，上翼緣板，腹板，大、小隔板都按原設(shè)計(jì)制作組裝。對(duì)于下

翼緣板，在等強(qiáng)原則下應(yīng)有幾種方法。①保留但要減薄下翼緣板。在大隔板下面，并以大隔板為中心對(duì)稱布置寬200毫米厚度同上翼緣板的加強(qiáng)版，加強(qiáng)版下的耳板固定鋼絲繩并將力傳遞到鋼絲繩。②不在保留下翼緣板，在大隔板下面與兩腹板組焊一塊寬200毫米厚度同上翼緣板的加強(qiáng)板。其作用為保持箱梁的剛度，并在該板下加裝固定鋼絲繩的耳板。鋼絲繩在梁中心線兩側(cè)對(duì)稱布置；編花設(shè)置對(duì)鋼梁整體的剛度應(yīng)該更好。

4 鋼梁的上拱度。

正常情況下鋼梁在自重作用下會(huì)產(chǎn)生一定的下?lián)隙?，此時(shí)上翼緣板受壓

下翼緣板受拉。增加鋼絲繩的鋼梁，可以人為地改變鋼梁撓度方向，利用鋼絲繩抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，在制作階段將鋼梁制出反拱，使鋼梁上翼緣板受拉下翼緣板受壓。鋼梁在受載使用階段，上翼緣板會(huì)從一定的拉應(yīng)力狀態(tài)逐步變?yōu)槭芰榱悖趶牧闫鸩街鸩匠惺芤欢ǖ膲簯?yīng)力。對(duì)應(yīng)于上翼緣板受力的變化，下翼緣板始終承受拉應(yīng)力，而鋼絲繩的特點(diǎn)是抗拉能力強(qiáng)。從而節(jié)省材料或提高鋼梁承載能力。對(duì)于需要產(chǎn)生上供的量，應(yīng)視具體情況具體確定。由于筆者不是專業(yè)設(shè)計(jì)人員，恕不能給出確切的數(shù)值。

鋼絲繩梁端固定。簡(jiǎn)單的受力不是很大的鋼梁，鋼絲繩可以直接固定在下翼緣板。當(dāng)鋼梁受力較大，且梁端剪力較大時(shí)，應(yīng)將鋼絲繩在梁端以45-60度角拉起，將鋼絲繩固定在上翼緣板。

5 鋼梁節(jié)省材料的原理

節(jié)省材料并提高鋼梁承載能力來(lái)源于四部分。①理論上講，普通鋼梁中心線以上受壓、以下受拉。如上所述減薄或去掉下翼緣板，則下翼緣板不再承擔(dān)由自重及載荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力完全由鋼絲繩來(lái)承擔(dān)，減薄或者去掉了下翼緣板，相對(duì)于增加的鋼絲繩來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的就節(jié)省了鋼材。②被去掉的下翼緣板，其重量遠(yuǎn)大于鋼絲繩的重量，從而減輕了自重，在承載力不變時(shí)，可以減薄上翼緣板和腹板的用材量。③正常鋼梁，上翼緣受壓下翼緣受拉，而去掉下翼緣板并增加鋼絲繩的鋼梁，其上翼緣與腹板應(yīng)該都是受壓構(gòu)件，其截面慣性矩及抗彎模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沒(méi)有去掉下翼緣板的鋼梁。在承載力不變時(shí)，可以減薄上翼緣板和腹板的用材量。④鋼絲繩抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鋼板，利用這一特點(diǎn)，在鋼梁組焊結(jié)束加裝鋼絲繩時(shí)，使用工裝將鋼絲繩拉緊、受力。最終鋼梁會(huì)出現(xiàn)上拱，確定并達(dá)到一定的上拱量時(shí)，將鋼絲繩固定在鋼梁上。這時(shí)的鋼梁上翼緣板受拉，靠近鋼絲繩的下邊緣受壓。其受力狀況與正常鋼梁相反。逐步加載，加載初期，鋼梁上翼緣板所受拉應(yīng)力逐步減少，逐漸趨近于零，之后上翼緣板由受拉應(yīng)力進(jìn)而變成受壓應(yīng)力。鋼梁上翼緣板從受拉應(yīng)力到受力為零時(shí)，已經(jīng)承擔(dān)了一定的載荷。當(dāng)外載荷或承載力不變時(shí)，可以減薄上翼緣。

6 理論設(shè)計(jì)

鋼梁上、下翼緣板20毫米厚500毫米寬，兩腹板厚14毫米，梁高800毫米，梁長(zhǎng)L米，梁中部集中載荷P。正常梁截面慣性矩軸與梁型心軸重合，其截面慣性矩J=（500*20^3/12+500*20*390^2）*2+2*14*380^3/12=3.107*10^9MM^4； 當(dāng)去掉下翼緣板增加鋼絲繩后，梁截面慣性矩軸在梁的最下邊緣，此時(shí)，上翼緣板面積A上=500*20=10000M^2，型 心Y上 =20/2+760+20=790MM， 腹板 面 積 A復(fù) =14*760*2=21280M^2，腹 板 型 心Y復(fù)=760/2+20=400MM，異形梁截面型心縱坐標(biāo)Y異=（10000*790+21280*400）/（10000+21280）=524.68MM，上翼緣板截面慣性矩為J上 =（500*20^3/12+500*20*790^2）=6.24*10^9MM^4 。J復(fù) =14*760^3/12*2+ 14*760*2*524.68^2=6.88*10^9MM^4。 異形梁的截面慣性矩J異=6.24*10^9MM ^4+6.88*10^9MM^4=13.12*10^9MM^4。13.12*10^9MM^4/3.107*10^9MM^4=4.22倍。由此可見(jiàn)增加了鋼絲繩的異型鋼梁，其承載能力有了很大提高。

正常鋼梁σ正=PL400/2/3.1*10^9。異型鋼梁σ異=PL790/2/13.1210^9。σ 異 /σ 正 =PL790/2/13.1210^9/ PL400/2/3.1*10^9=0.47。就是說(shuō)增加了鋼絲繩鋼梁，在相同載荷作用下，材料所受應(yīng)力只是正常鋼梁所受應(yīng)力的0.47倍。相當(dāng)于承載能力提高2.14倍?？紤]到鋼梁施加反拱，還可以提高承載能力。

7 其他用途

處于動(dòng)載狀態(tài)下的箱形鋼梁，如橋式起重機(jī)，大型龍門(mén)式起重機(jī)、花梁門(mén)吊等起重設(shè)備，長(zhǎng)期使用上拱消失，并產(chǎn)生下?lián)隙扔绊懯褂?。修?fù)下?lián)隙鹊姆椒ㄓ卸喾N：①火炎校正修復(fù)上拱度；②再次電焊增加角焊縫強(qiáng)度；③在下翼緣板處焊接補(bǔ)強(qiáng)板等；④本文的所述也是較好選項(xiàng)之一。

[1]結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[Z].

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