钢结构桁架节点图集(工字型钢梁优化设计案例)是一本专注于工字型钢梁在桁架结构中应用与优化设计的图集。本书详细展示了如何通过精确计算和设计来确保工字型钢梁的强度、稳定性和耐久性,同时考虑到成本效益和施工便捷性。书中包含了丰富的实例,展示了不同工况下的节点设计和分析,以及如何通过调整连接方式、支撑系统等来优化桁架结构的性能。还介绍了现代钢结构设计软件的应用,为工程师提供了实用的工具和指导。
工字型钢梁截面设计
一、设计要点
- 梁的截面高度
- 要考虑建筑高度、刚度和经济三个方面的要求。确定了建筑高度也就确定了梁的最大高度;刚度要求确定了梁的最小高度,刚度条件要求梁在全部荷载标准值作用下的挠度不大于容许挠度;还有梁的经济高度,即梁用钢量最少的高度。梁的腹板高度可稍小于梁的高度,一般取腹板高度为50mm。
- 腹板厚度
- 腹板厚度应满足抗剪强度的要求。初选截面时,可近似的假定最大剪应力为腹板平均剪应力的1.2倍,根据腹板的抗剪强度计算公式确定的值往往偏小。为了考虑局部稳定和构造等因素,腹板厚度一般用下列经验公式进行估算(公式中的单位均为)。实际采用的腹板厚度应考虑钢板的现有规格,一般为的倍数。对于非吊车梁,腹板厚度取值宜比计算值略小;对考虑腹板屈曲后强度的梁,腹板厚度可更小,但腹板高厚比不宜超过250。
- 翼缘尺寸
- 已知腹板尺寸,可求得需要的翼缘截面积。每个翼缘的面积近似取,则翼缘面积为,翼缘板的宽度通常为(为梁高),厚度。翼缘板常用单层板做成,当厚度过大时,可采用双层板。确定翼缘板的尺寸时,应注意满足局部稳定要求,使受压翼缘的外伸宽度与其厚度之比(弹性设计)或(考虑塑性发展)。选择翼缘尺寸时,同样应符合钢板规格,宽度取的倍数,厚度取的倍数。
二、截面验算分析
- 弯曲强度
- 弹性工作阶段:当弯矩较小时,截面上的弯曲应力呈三角形直线分布,其外缘纤维最大应力为。这个阶段可以持续到到屈服点,此时梁截面的弯矩达到弹性极限弯矩。随着弯矩增大,塑性区逐渐向截面中央扩展,中央弹性区相应逐渐减小。塑性工作阶段:在塑性工作阶段,若弯矩不断增大,直到弹性区消失,截面全部进入塑性状态,即达到塑性工作阶段,此时梁截面应力呈两个矩形分布弯矩达到最大极限,称为塑性弯矩 。
- 弯曲剪应力计算
- 根据材料力学开口截面的剪应力计算公式,梁的抗剪强度或剪应力按下式计算:,式中为计算截面沿腹板平面作用的剪力;为计算剪应力处以上或以下毛截面对中和轴的面积矩;为毛截面惯性矩;为计算点处板件的厚度;为钢材抗剪设计强度。
- 局部压应力
- 当梁上有集中荷载(如吊车轮压、次梁传来的集中力、支座反力等)作用时,集中荷载由翼缘传至腹板,且该荷载处又未设置支承加劲肋时,腹板边缘存在沿高度方向的局部压应力。
- 折算应力
- 《规范》规定,在组合梁的腹板计算高度边缘处,若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应力,应对这些部位进行验算。当和比同号时要提早进入屈服,而此时塑性变形能力高,危险性相对较小故取 。
三、优化设计
- 判别强度控制和刚度控制的临界跨高比:在双轴对称钢梁截面设计中存在判别强度控制和刚度控制的临界跨高比的概念。并且推导了组合双轴对称工字形钢梁在不同腹板高厚比下的腹板高度与截面模量、截面惯性矩的关系式,基于此可以进行组合双轴对称工字形钢梁截面的优化设计。按照优化设计步骤进行设计,算例结果表明该优化步骤是快速与准确的,优化效果明显,可方便地应用于组合双轴对称工字形钢梁截面的设计。