轻钢结构H型钢梁腹板屈曲后强度的计算方法

轻钢结构H型钢梁腹板屈曲后强度的计算方法【摘要】本文主要介绍了关于焊接工字梁腹板考虑屈曲后强度设计方法的异同点，以便工程设计人员更好地理解和应用新规范，并更为合理地进行焊接工字梁腹板考虑屈曲后强度的设计。

【关键词】轻钢结构；屈曲后强度；计算方法；有效宽度
0前言
随着社会经济的发展，钢结构在工业及民用建筑中的应用越来越广泛，尤其在一些大跨度、大柱距的建筑中经常采用钢桁架结构构件。

传统的桁架杆件通常是作为二力杆件进行计算的，杆件为轴心受拉或轴心受压构件，且多采用双面角钢。

随着钢结构焊接、加工工艺水平的不断提高，钢桁架杆件选用的截面形式也越来越多样，如：轧制型钢、热轧h型钢和t型钢、焊接h型钢、高频焊轻型h型钢、焊接或轧制钢管等。

当要求的荷载较大、桁架截面高度受到限制，桁架的挠度要求又较严时，为满足要求，设计时桁架上、下弦通常采用较大截面尺寸的焊接h型钢或热轧h型钢。

计算模型可以假定上、下弦为连续杆件，而腹杆则为二力杆件。

此时桁架上、下弦杆为拉弯或压弯杆件。

1轻钢结构的适用范围及主要优点
所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：①冷弯薄壁型钢结构；②热轧轻型钢结构；③焊接或高频焊接轻型钢结构；④轻型钢管结构；⑤板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结
构。

1.1适用范围
根据我国目前情况来看，这种结构由于其用度广、优势明显，已大量应用于单层工业厂房、多层工业厂房、办公楼以及高层建筑中的非承重构件等。

对单层工业厂房而言，通常以h型钢，采用焊接连接作为梁柱，以c形或z形轻钢板作檩条，屋盖系统或楼面系统用压型彩色钢板作面层，上面可浇混凝土，压型钢板既可作为钢筋，必要时也可以再配钢筋。

墙面围护也可采用单层或夹层压型钢板，夹层板内部可充填各种保温层。

1.2主要优点
1.2.1 制造简单，工业化程度高，施工周期短。

轻钢结构的最大优点是所有构件均可以由工厂制作，现场拼接安装，对一般规模较小的工业厂房仅需45天至2个月，而采用钢筋混凝土建筑则要8～12个月左右。

1.2.2 综合经济效益好
轻钢结构施工周期短，可以提前投入使用，提前获取投资效益，另外由于采用色彩鲜艳的彩色压型钢板，美观华丽，改善了周边环境的动态感。

因为建筑物本身的自重轻，一般情况下不需要做桩基，可以节省投资。

采用聚苯已烯泡沫夹心板或单板加保温棉等措施后，使保温、隔热和隔章等效果更加良好。

彩色钢板是以镀锌为基板又用硅酮作为表面，经两除两烘加工而成，耐久性也较好。

根据目前我国的市
场价格，轻钢结构的造价已经低于钢筋混凝土结构，当厂房的跨度越大时，其优势更为明显，这也是它赖以竞争的一大优势。

1.2.3 材料均匀，塑性、韧性好，抗震性能好
由于钢结构属于柔性结构、自重轻，因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度，极有利于抗震。

我国是一个多地震区国家，在地震区建筑中应多采用钢结构，可大大减少地震灾害和人员伤亡。

1.2.4 宜于拆卸搬迁，节能，环保
一旦业主对所造厂址不满意或外界环境发生意想不到的变化，则整个建筑可在很短时间内拆迁，损失极小，有利于保护环境和节约资源，而所有这些是钢筋混凝土建筑所无法具备的。

正是由于轻钢结构的诸多优点，而且随着近年来防火、防腐新产品的不断出现，使得它在工业厂房以及民用设施中获得了广泛的应用。

2 屈曲后强度适用的条件
《钢结构设计规范》（gb50017-2003）中4.3.1款规定：承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度，而直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件或其他不考虑屈曲后强度的
组合梁，则应按本规范4.3.2条的规定配置加劲肋。

综合钢结构规范、工程经验及有关资料，将是否考虑屈曲后强度的情况总结如下：
2.1 直接承受动力荷载的吊车梁及类似构件，不应考虑屈曲后强度
一般设计时要控制腹板的高厚比若需要时，应配置横向加劲
肋以及纵向加劲肋，并应计算由加劲肋划分的区格的局部稳定性。

2.2 承受静力荷载和间接承受动力荷载的组合梁宜考虑腹板屈曲后强度
当时，可不考虑屈曲后强度，当受压翼缘扭转受约束时）或（受压翼缘扭转未受约束时），可只配置横向加劲肋，并计算区格局部稳定性，而不考虑屈曲后强度；也可以考虑屈曲后强度，设置构造加劲肋，而不计算区格局部稳定性；当受压翼缘扭转受约束时）或，（受压翼缘扭转未受约束时），宜考虑腹板屈曲后强度，并按构造设置横向加劲肋。

3屈曲后强度的机理及计算
3.1在纯剪荷载作用时
腹板区格在受剪时产生主拉应力和主压应力。

当主压应力达到一定程度时，将迫使腹板屈曲，此时，主拉应力还未达到限值，因此，腹板还可以通过斜向的拉应力场承受继续增加的剪力。

在拉力场的作用下，腹板、翼缘、加劲肋形成一种类似析架的作用，腹板的受力类似于析架中的斜拉杆，加劲肋则类似于竖压杆。

关于梁腹板屈曲后抗剪承载力vu的计算方法，钢结构规范采用了简化计算的方法，引入通用高厚比λs，其抗剪承载力为：式中λs为抗剪计算的腹板通用高厚比，按钢结构设计规范中的4.3.3-3d/e计算。

3.2在纯弯荷载作用时
梁腹板在纯弯矩作用下，当弯矩增大到一定程度时，腹板的受
压区出现凸曲变形即发生屈曲，此时边缘应力还未达到屈服，梁还能承受更大的荷载，但截面上的应力出现重分布，凸曲部分的应力不再继续增大，甚至有所减小，而压应力较小和受拉部分的应力继续增加，直至边缘应力达到屈服（图1）。

此时，腹板的受拉区全部有效，受压区的一部分退出工作。

3.2.1钢结构规范计算方法
受压区引入“有效截面”的概念，如图2所示，忽略腹板受压屈曲后梁中和轴的变动，并把受压区有效高度ρhc。

等分在两边，在受拉区也和受压区一样扣除（1-ρ）hctw，以使中和轴仍在梁高度中央，但不计算扣除部分对自身形心轴的惯性矩作为补偿。

于是梁有效截面的惯性矩为：
梁的截面模量折减系数αe。

为：
因此梁的屈曲后抗弯承载力设计值为：
腹板受压区有效高度系数ρ与通用高厚比有关几，，取值见钢结构设计规范中式（4.4.1-5a）。

图2梁截面模量折减系数简化计算简图
3.2.2 文中计算方法
文中梁屈曲后截面有效惯性矩的简化计算，直接不考虑腹板受压区的作用，同时忽略腹板屈曲后梁中和轴的变化，如图3所示，故梁截面的有效惯性矩为：
3.2.3两种计算方法的比较
①当λb≤0.85时，即：梁受压翼缘扭转受到约束时；梁受压
翼缘扭转未受到约束时。

，说明梁截面全截面有效，可以不考虑屈曲后强度。

②当0.85<λb≤1.25时，即：梁受压翼缘扭转受到约束时：
梁受压翼缘扭转未受到约束时：
以梁受压翼缘受约束为例，对规范中计算方法和本文中简化计算梁有效惯性矩进行比较（表1），可知，随着ho/tw，增大，两种计算方法计算的结果越接近，当ho/tw接近220时，本文简化计算屈曲后刚度比钢结构规范的计算方法仅小1.5%左右。

而当将表一中的材质改为q345时，两者的误差更小。

4 结语
当腹板高厚比超过150时，焊接变形已不可避免，这就要求在利用腹板屈曲后强度时，必须采取合理的焊接手段，翼缘和腹板必须矫正平直，并用活动胎具卡紧，严格按顺序施焊，减小焊接变形。

考虑到加工制作（焊接变形）和安装（吊装）的要求，梁腹板高厚比不得大于。

参考文献
[1].钢结构设计手册（第三版）[m].北京：中国建筑工业出版社，2004.
[2].北京钢铁设计研究总院.gb50017- 2003钢结构设计规范[s].北京：中国计划出版社，2003.
[3].中国建筑科学研究院.gb50011-2001建筑抗震设计规范[s].北京：中国建筑工业出版社，2008.。