于潔，謝新濤，汪一駿

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

工字形鋼梁板件允許寬厚比的取值與改進(jìn)

于潔，謝新濤，汪一駿

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)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(gòu)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(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)其限值規(guī)定不同。在論述國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范及正在修編的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的基礎(chǔ)上，對(duì)板件寬厚比在不同適用條件的限值提出明確規(guī)定，同時(shí)對(duì)于不同鋼號(hào)的修正系數(shù)公式提出修改建議。

翼緣 腹板 寬厚比 實(shí)際最大應(yīng)力 鋼號(hào)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(yīng)分別滿足b1/tf≤α1，h0/tw≤α2。國(guó)內(nèi)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(duì)于焊接b1=(bf－tw)/2，h0=h－2tf;對(duì)于軋制b1=(bf－tw－2r)/2，h0=h－2tf－2r。

本文重點(diǎn)論述α1，α2及采用非Q235鋼材時(shí)的修正系數(shù)εk的表達(dá)式。

2 國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)α1及α2的規(guī)定

美國(guó)［1］、歐洲［2］、日本［3］及我國(guó)規(guī)范［4-7］對(duì)α1，α2的規(guī)定對(duì)比見(jiàn)表1。

依據(jù)表1，分析如下:

1)表1中均為Q235鋼的α1，α2取值，其他鋼號(hào)的α1，α2除說(shuō)明外應(yīng)乘以鋼號(hào)修正系數(shù)εk。

2)表中序號(hào)4為文獻(xiàn)［4］中多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，與房屋高度無(wú)關(guān)，相當(dāng)于GB 50017中的S1，S2截面設(shè)計(jì)等級(jí)。

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

4)從表中看，我國(guó)GB 50017與國(guó)外規(guī)范大致相同，取α1=15合理?！堕T(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，地震設(shè)計(jì)控制的構(gòu)件應(yīng)取13，與GB 50017送審稿中規(guī)定壓彎構(gòu)件α1≤13是相同的。故本文建議壓彎構(gòu)件和地震設(shè)計(jì)控制的構(gòu)件α1取13。

5)腹板的高厚比超過(guò)規(guī)定時(shí)，可根據(jù)不同的受力情況，按有效面積計(jì)算，對(duì)強(qiáng)度影響相對(duì)要小。設(shè)置縱向加勁肋施工及維護(hù)麻煩，不優(yōu)先采用。

6)序號(hào)7中的α1限值不能滿足時(shí)，可加卷邊解決。

3 鋼號(hào)修正系數(shù)分析

1)公式中的fy為實(shí)際采用鋼材的屈服點(diǎn)，它是在截面強(qiáng)度用足的基礎(chǔ)上，即梁的最大壓應(yīng)力σmax時(shí)。

2)鋼梁經(jīng)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(nèi)的截面模量;f為梁鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;rx為梁平面內(nèi)塑性發(fā)展系數(shù)。

3)綜合以上兩點(diǎn)應(yīng)將εk公式分子中的Q235屈服點(diǎn)235 N/mm2以鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215 N/mm2代替，分母fy以σmax代替，即按截面強(qiáng)度計(jì)算得出。當(dāng)梁為穩(wěn)定性控制時(shí)，梁的實(shí)際最大應(yīng)力σmax遠(yuǎn)小于f。例如對(duì)于Q345，f=300 N/mm2(t≤16 mm)。

4)表1序號(hào)7中《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》［7］第5.6.8條中的σ1相當(dāng)于本文中的σmax。

表1 主要國(guó)內(nèi)外規(guī)范Q235鋼框架梁α1，α2的限值

4 計(jì)算示例

問(wèn)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(zhì)為Q235鋼，f=215 N/mm2。跨度3 m，兩端簡(jiǎn)支。均布荷載作用于梁上翼緣，跨中無(wú)側(cè)向支撐。Mx=13 kN·m，Wx=120.57 cm3。要求計(jì)算梁翼緣寬厚比α1是否滿足局部穩(wěn)定性。解答如下。

對(duì)H250×125×3×3，Wx=120.57 cm3，梁平面外回轉(zhuǎn)半徑iy=2.57 cm，長(zhǎng)細(xì)比λy=ly/iy=3 000/25.7 =117。

1)整體穩(wěn)定性檢算

φb=0.563(計(jì)算過(guò)程略)。按公式(1)

可見(jiàn)梁整體穩(wěn)定性滿足要求。

2)最大壓應(yīng)力計(jì)算

最大壓應(yīng)力［8］應(yīng)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(jì)算過(guò)程略)。

按公式(1)

滿足梁整體穩(wěn)定性要求。

按公式(2)

5 結(jié)論

1)關(guān)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(gòu)件和主要抗震梁柱構(gòu)件取α1≤13εk。

2)鋼號(hào)修正系數(shù)εk宜修改為按鋼梁強(qiáng)度計(jì)算確定，σmax≤f，該公式實(shí)際上已經(jīng)不是鋼號(hào)修正系數(shù)而是應(yīng)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(yīng)力，但實(shí)際上它既考慮了鋼號(hào)修正，又考慮了截面實(shí)際應(yīng)力大小對(duì)受壓翼緣寬度限值的貢獻(xiàn)，特別是對(duì)于穩(wěn)定性控制的梁將強(qiáng)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(dāng)梁的設(shè)計(jì)為強(qiáng)度控制時(shí)，εk與現(xiàn)行規(guī)范基本相同，但當(dāng)σmax小于Q235的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)，即使Q235鋼的梁也應(yīng)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(jí)，可不驗(yàn)算中震下的抗震強(qiáng)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(xué)會(huì)．AIJ—2002鋼構(gòu)造限界狀態(tài)設(shè)計(jì)指針·同解說(shuō)［S］．東京:2002．

［4］中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．

［5］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003．

［6］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．CECS 102:2002門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2002．

［7］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．GB 50018—2002冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2002．

［8］中華人民共和國(guó)建設(shè)部．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］．3版．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

(責(zé)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。