15m跨度箱型截面钢梁设计分析.docx

15m 跨度箱型截面钢梁设计分析朱冬冬（同济大学土木工程学院）摘要：综述相关文献，介绍钢结构特点、优缺点、应用范围和设计要求，并给出在给定条件下设计15m 大跨度箱型截面钢梁计算实例和步骤，分析讨论与钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁、钢桁架梁等 比较的优缺点。关键词：箱型截面钢梁；钢结构；梁设计计算；承载力1 钢结构简介钢结构是土木工程的主要结构形式之一，它在房屋 建筑、地下建筑、桥梁、塔桅、海洋平台、港口、矿山、水 工、气柜球罐和容器管道中都得到了广泛采用；这是由 于钢结构与用其他材料建造的结构相比，具有自己显著 的特点1。其主要的优缺点：钢材重量轻而强度高；钢材 的塑性和韧性好，安全可靠；钢结构工业化程度高，施工 速度快；钢结构的密封性好；钢材耐热性好，但耐火性 差；钢材耐腐蚀性差，应采取防护措施。此外，钢材价格 较贵。虽然钢结构优点甚多、用途广泛，但是设计时应尽 量节约钢材，降低造价。钢结构的应用范围：大跨度结构、高层建筑结构、高 耸结构、板壳结构、工业厂房结构、轻型结构、桥梁结构、 移动和临时结构等。钢结构设计，要求惯彻执行国家技术经济政策，做 到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。基本要求 有：应从工程实际出发，合理选用材料、结构方案和构造 措施；满足结构在运输、安装和使用过程中的强度、稳定 和刚度要求；应优先采用定型的和标准化的结构和构 件，减少制作、安装工程量；应符合防火要求，注意结构 的抗腐蚀性能；注意美观，应复合一定建筑美学要求。钢 结构设计要因地制宜，量材而用，根据工程实际选择合 适的结构方案，进行技术经济比较，同时还要总结、创造 和推广先进的制造和安装技术2。2 箱型截面钢梁钢梁是常见的结构形式，常用的有工字形钢，h 型 钢等。由于受到轧制设备的限制，当型钢规格不能满足 梁受弯的要求、或考虑最大限度地节省钢材时，可采用 焊接组合截面。焊接组合截面由若干钢板、或钢板与型 钢连接而成。它的截面比较灵活，有的情况下可使材料的分布更容易满足工程上的各种需要，从而节省用钢。对于荷载较大而高度受到限制的梁，可考虑采用 4 块钢 板组成的双腹板箱型截面，以及由若干个箱室组成的多 室箱型截面，具有较好的抗扭刚度，在工程中应用很广 泛3。箱型截面钢梁，属于受弯构件，其主要破坏形式有： 截面强度破坏；整体失稳；局部失稳。故在在截面设计时 主要考虑强度、整体稳定、局部稳定（包括腹板加劲肋的 设置与计算）和刚度等四个方面的要求。对承受静力荷 载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑利用腹板的屈曲后强度 。42.1 梁的强度计算在主平面内受弯的梁，其强度计算内容包括抗弯强 度、抗剪强度、腹板局部承压强度和折算应力等四项。2.2 梁的整体稳定计算mxb wx在最大刚度主平面内受弯的梁f在两个主平面内受弯的工字形截面梁mmx+yfb wxy wy2.3 梁的局部稳定受弯构件主要由平板组成，其局部失稳是不同约束 条件的平板在不同内力分布下的失稳。局部失稳临近应 力的一般表达式为：22 t = xk e 2 -b -cr12-1-受压翼缘的局部稳定。工程构件翼缘的厚度尺寸与截面的高度尺寸相比要小的多，沿着翼缘厚度方向的 应力梯度不大，可以近似作为均匀受压构件处理。腹板的局部稳定。受纯弯曲作用的腹板属于这种- 45 -建筑设计与装饰广东建材 2010 年第 12 期情况。保证板件局部稳定的设计准则。使板件局部失稳的临界应力小于材料的屈服强 度，承载能力由强度控制：cr fy ；使板件局部失稳 的临界应力不小于构件的整体稳定临界应力，承载能力加上翼缘板厚度可使梁高满足上述要求（hminhhmax，hhe）。腹板厚度。抗剪要求。3t = 1.2vmax = 1.218010 =0.88mmwhw fv1350180mcrx由整体稳定控制：cr ；使板件局部失稳的临界w式中取 q345 钢的 fv=180n/mm（2 tw16mm 时）经验公式。tw1=2/7姨hw =2/7姨1350 =10.5mmx应力不小于实际工作应力：cr 。构件若强度起控制作用时，可以按准则、处理；其中准则可能更经 济一些，但承载能力储备相对小一些；若整体稳定起控 制作用，则可按准则处理。由于 cr 是板件宽厚比t/b 与长宽比（a/b 或 lmin/lmax）的函数，根据上述准则， 设计公式可以转化为对板件宽厚比或长宽比的几何要 求5。3 设计实例3.1 计算假定假定设计焊接箱型截面钢梁，跨度 15m，荷载为24kn/m 恒荷载作用于梁上翼缘。钢材采用 q345。 最大弯矩设计值（发生在跨度中点） mmax=1/824152=675knm 最大剪力设计值（发生在梁跨两端） vmax=1/22415=180kn3.2 计算过程腹板高度。钢梁的最小高度（按最大挠度值确定）tw2=7+0.003hw=7+0.0031350=11.05mm综上取 tw=12mm，选用腹板 -135012 (-135010，2 块)翼缘板截面尺寸（bt）。根据抗弯强度要求和整体稳定性要求wxhw twbt-hw6m抗弯强度要求 wx = f =2179.2cmx3x整体稳定形要求（试取整体稳定性系数 b=0.90）mwx =x fb667510-3= 0.90295 10=2542.4cm32179.2cm3wx hw tw bt-hw6 2542.4 1 x f-vl-l=- 6 1351.2hmin 6.5e135=18.8-18.75=0.05cm（a）21.05295=4001500=1388.3mm3在确定 b 和 t 时，应考虑翼缘板的局部稳定性要求，近似取6.520610上式中取 q345 钢的抗弯刚度设计值 为f= b 235 235 295n/mm2 （设钢板厚度 t17-35mm），e=206103n/mm22t 13=13姨 345=10.73姨yf-lv-= 400 。1和bbt=（b）210.7321.53经济高度经验公式 he =7 姨wx -30今需要的梁截面模量为有式（a）和式（b），取 b=360mm，t=18mm。翼缘局部的稳定性验算6mx 67510 -33b-t 360-12 235 wx = f = 1.05295 10=2179.2cm w 2t = 218=9.713姨y=10.73，满足。fx3则 he =7 姨wx -30=60.8cm梁截面验算。截面的几何特性。取腹板高度为 hw=h0=1350mm。- 46 -图 1 箱型钢梁截面图广东建材 2010 年第 12 期建筑设计与装饰截面积 af=2361.8+1351.2=172.8cm2满足要求。抗剪强度验算33 姨惯性矩 ix =1/12姨36138.6 -34.8135vmax sx=85241.87cm4i t13x wiy =2 12 1.836 =13996.8cm433= 18010 15367.3210 ix852413.8712=27.04n/mm210.5，故需要验算整体稳定 v 姨l 姨l=根据挠度验算修改截面为 384ei性。 15000 ,带入数据得到腹板高度 x73.95cm，取腹板高双轴对称焊接工字形等截面简支梁的整体稳定性系数：400度为 h=80cm。再经过上述验算过程，得到符合设计要求。故，箱型钢梁截面图如图 1：姨4.4h2姨b=b 4320ahyt1 235姨1+2ywxfy而简支梁跨中无侧向支承，荷载均布作用于上翼缘。l1 t1 1500018 今 = b h = 3601386 =0.5412.01b =0.69+0.13=0.69+0.130.541=0.76 4320 172.8138.6 =0.76b166.7212300.32姨4.4138.6 166.71.8 姨 345 =0.1750.6 235 姨1+6mxb wx= 67510 30.17512300.3104 比较与讨论同样的，在假定荷载作用下，采用通常材料强度和 设计过程来设计 15m 跨度的钢筋混凝土、预应力混凝 土、钢桁架梁，得到梁高 （截面占用高度） 分别为1500mm，1100mm，900mm。对比分析得到在 15m 跨度下，由 于自重变形和截面占用高度等原因，钢筋混凝土结构已 不适合做为梁结构，而预应力混凝土梁能较好的改进不 足，钢桁架和箱型梁的截面占用高度均较小，适合大跨=314.2n/mm2f=295n/mm2不满足。需要调整，可在跨中加一道侧向支撑，或者 增加翼缘宽度就可以满足整体稳定要求。抗弯强度验算mxx wx=667510=52.3n/mm2f=295n/mm231.0512300.310- 47 -建筑设计与装饰广东建材 2010 年第 12 期少年儿童图书馆设计兼谈湛江市少年儿童图书馆设计陈嘉才（湛江市规划勘测设计院）摘要：由于少年儿童图书馆建筑设计的重要性和特殊性，本文结合实践就湛江市少年儿童图书馆 的建筑设计和建筑造型进行一些探讨，以改进此项设计中的若干问题。 关键词：少年图儿童书馆建筑设计；建筑造型；儿童；环境一个城市建筑设计业的发展，标志着它的综合实力和社会精神面貌。关心少年儿童成长是中华民族传统美 德，是关系国家未来的千秋伟业。湛江市少年儿童图书 馆的建设为少年儿童创造良好的学习环境，此一公益事 业得到港澳同胞及社会各界人事的热诚捐助，引起社会 上的关注，建筑是结合人类历史文明与科学技术的智慧 结晶，其本身也是个复杂综合体。特别在建筑平面设计 好不好用和建筑造型漂亮不漂亮，这是港澳同胞、家长 及小朋友最为关心的问题。当我们接到这项设计任务 时，感到非常兴奋和重视，并加紧准备第一手资料，力求 设计出一幢适用、安全、新颖、经济的建筑物。为此曾多 次到现场进行调查了解，其馆址选择在原有市图书馆旧 址，分期拆除重建。位置适中，交通方便，工程地质及水 文地质条件较好，对于噪音、强电磁波干扰少，安全环境 卫士符合保护标准。还认真听取建了设单位的使用意图 和要求，再根据使用功能进行设计。遵循“适用、安全、美观、经济”的设计宗旨。功能反映外型，这是客观规律。徒有美丽的外观，而内部使用功能不能满足要求或不能发 挥其效益是不可取的。公共建筑应重视其内部空间的效 果。简单来说，更加注意功能的划分，在尺寸上可能有大 的、有小的。建筑师常用各种各样的面来构成空间，其目 的就是为了表达动态的效果。建筑空间有内、外之分，做 建筑设计时必须将内、外空间有机地融合在一起，这样 才能使整个建筑给人一种自然、舒适的感觉，使观者耳 目一新，使用者点头称可。空间由于人的活动才有意义， 建筑空间与人是分不开的。让少年儿童特性吻合的行动 和心理，完善每一过程都应以人为中心，才能完成人认 同的场馆。图书馆的建筑布局应与管理方式和服务手段 相适应。合理安排采编、收藏、外借、阅览之间的运行路 线，使读者、管理人员和书刊运送路线便捷通畅，互不干 扰。在构思少年儿童图书馆建筑平面时且结合建筑造-度梁的要求。从施工工艺方面讲，混凝土结构施工工艺成熟，主 要由于熟化时间的要求导致时间较长；钢结构工厂预 制，现场吊装，焊接安装等较费时间，且需要较大型的设 备。在综合造价方面，钢筋混凝土结构价格较低廉，基本 不要养护费用；而大型钢结构价格高，且防锈防腐养护 费用高，在设计中需要综合考虑。对于耐火性和耐久性 要求，钢筋混凝土结构耐久性和耐火形都很好，钢结构 则较差，需要定时做防火和防腐处理；在外形美观方面， 钢结构可以做大跨悬挑外形，适合做奇特外形的构筑 物，而钢筋混凝土外形较为规整，稳定性较好。综合分析得到，15m 跨度下，钢结构梁较钢筋混凝 土梁表现出较大的优越性；而箱型截面梁较钢桁架由于构造简单，施工方便，又