鋼梁在鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

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 摘要：簡要介紹了鋼結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，總結(jié)國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和使用，闡述了鋼梁在多、高層等建筑領(lǐng)域中的受力機(jī)理和概率極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法。

  關(guān)鍵詞：鋼梁土木工程鋼結(jié)構(gòu)   輕鋼建筑在一些發(fā)達(dá)國家已被廣泛應(yīng)用于工廠、倉庫、體育館、展覽館、超市等建筑，而鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕、強(qiáng)度高、施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對高層、大跨度，尤其是超高層、超大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想。鋼結(jié)構(gòu)體系有著巨大的發(fā)展?jié)摿屠硐氲陌l(fā)展前景，鋼梁作為鋼結(jié)構(gòu)中的重要受力構(gòu)件，其力學(xué)性能必將在今后的發(fā)展中更加完善、合理。   1鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用   世界上已經(jīng)建成的幾個(gè)純鋼結(jié)構(gòu)建筑為目前世界上最高的超高層建筑，如美國紐約帝國大廈，美國紐約世界貿(mào)易中心，美國芝加哥西爾斯大廈，馬來西亞雙塔石油大廈等。巨型鋼結(jié)構(gòu)為高層或超高層建筑的一種嶄新體系[1]，它是為了滿足特殊功能或綜合功能而產(chǎn)生的。它具有良好的建筑適應(yīng)性和潛在的高效結(jié)構(gòu)性能，是一種很有發(fā)展前景的鋼結(jié)構(gòu)。   大跨度或較大跨度大多采用鋼結(jié)構(gòu)，大跨度鋼結(jié)構(gòu)多用于多功能體育場館、會議展覽中心、博覽館、候機(jī)廳、飛機(jī)庫等。最早的大跨度平板網(wǎng)架是上世紀(jì)60年代美國洛衫磯加里福尼亞大學(xué)體育館。世界上跨度最大的斜拉索橋?yàn)槿毡镜亩喽嗔_大橋，最大的懸索橋?yàn)槿毡镜拿髽?，公路鐵路兩用最大跨度橋?yàn)橄愀鄣那囫R大橋。世界最早的雙曲拋物面懸索屋蓋是美國雷里競技館。另外，歷屆奧運(yùn)會、博覽會等都可以顯示鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展水平。   2鋼梁的力學(xué)特性   鋼梁在其對稱軸平面內(nèi)的橫向荷載作用下，一般只在該平面內(nèi)產(chǎn)生彎矩、剪力和撓度。但是，由于鋼梁的截面通常為高而窄的工字形或槽形，側(cè)向抗彎剛度和抗扭剛度較小，還可能發(fā)生側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲而喪失整體穩(wěn)定[2]。對于組合梁而言，當(dāng)腹板或翼緣相對較薄時(shí)，還可能在受壓區(qū)發(fā)生局部失穩(wěn)而破壞。因此，設(shè)計(jì)鋼梁時(shí)須全面考慮并分別驗(yàn)算其彎應(yīng)力與剪應(yīng)力強(qiáng)度、撓度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。   在豎向荷載作用下，鋼梁一般只產(chǎn)生豎向位移，但對側(cè)向剛度較差的工字形截面或槽形截面鋼梁，當(dāng)梁的自由長度較大時(shí)，荷載加大到一定程度，常會迅速產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形，使梁隨即喪失承載能力的現(xiàn)象稱為喪失整體穩(wěn)定或側(cè)扭屈曲。根據(jù)試驗(yàn)，一般低碳鋼和低合金鋼試件在受彎時(shí)，如同簡單拉伸試驗(yàn)一樣，也存在著屈服強(qiáng)度和屈服臺階，可視作理想的彈性塑性體。而且在超過彈性范圍受彎時(shí)仍符合彎曲構(gòu)件應(yīng)變的平面假定。因此，在靜力荷載作用下，鋼梁的彎曲大致可劃分為三個(gè)應(yīng)力階段。   鋼梁的強(qiáng)度包括抵抗彎曲、剪切以及豎向局部承壓的能力。抗彎能力可由材料力學(xué)中的彎曲應(yīng)力公式求得。當(dāng)按塑性設(shè)計(jì)時(shí)，考慮梁上形成塑性鉸及由此引起的內(nèi)力重分布。采用塑性設(shè)計(jì)的鋼梁，與按彈性階段設(shè)計(jì)的梁相比較，可減小截面尺寸，節(jié)省鋼材，但一般只適用于受靜力荷載的熱軋型鋼梁和等截面焊接組合梁，同時(shí)組合梁板件的寬厚比應(yīng)有較嚴(yán)格的限制，以免板件局部失穩(wěn)而降低梁的承載能力。當(dāng)按彈性階段設(shè)計(jì)時(shí)，取計(jì)算截面的邊緣纖維應(yīng)力達(dá)到鋼材的屈服點(diǎn)作為極限狀態(tài)。邊緣纖維應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)后，梁實(shí)際上還可繼續(xù)承受荷載。隨著荷載的繼續(xù)加大，最大彎矩所在截面上的塑性變形沿截面從邊緣向中央不斷發(fā)展和擴(kuò)大，最后在該截面處形成塑性鉸。梁上出現(xiàn)使梁成為可動機(jī)構(gòu)的一定數(shù)量的塑性鉸后，梁即到達(dá)抗彎的極限狀態(tài)而破壞。鋼梁的抗剪能力，也可按材料力學(xué)中的有關(guān)公式計(jì)算。為了簡化，通常假定剪力完全由腹板的計(jì)算截面平均承受。型鋼的腹板較厚，抗剪強(qiáng)度一般都能滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)梁的抗彎強(qiáng)度按塑性階段設(shè)計(jì)時(shí)，剪力的存在會加速塑性鉸的形成；因此，對最大彎矩截面上的剪應(yīng)力，應(yīng)有比較嚴(yán)格的限制。   鋼梁上承受固定集中荷載處，當(dāng)荷載作用在翼緣上時(shí)，該處翼緣與腹板交界部位的腹板水平截面，應(yīng)具有足夠的抗豎向局部壓力的能力。承受豎向局部壓力的腹板水平截面的面積，為該豎向壓力在所驗(yàn)算水平截面上的假定分布長度與腹板厚度的乘積，并假定豎向壓應(yīng)力在該水平截面上為均勻分布。若計(jì)算截面的抗豎向局部承壓能力不足，可放大支承豎向荷載墊板的長度，或在該處設(shè)置腹板的加勁肋。   參考文獻(xiàn)：   [1]CloughRW.Thefiniteelementinplanestressanalysis[A].In:Proc.2ndASCEConf.onElectronicComputation[C].1960.   [2]TianhuHe,MingzhiGuan.FiniteElementMethodtoaGeneralizedTwo-dimensionalThermo-elasticProblemwithThermalRelaxation[A].ProceedingsoftheThirdInternationalConferenceonMechanicalEngineeringandMechanics,Vol1,Beijing,P.R.China[C],Oct.21-23:278-283.