鋼梁省材設計研究

（北京南車時代機車車輛機械廠驗收室，北京 102249）

鋼梁省材設計研究

張振祥

（北京南車時代機車車輛機械廠驗收室，北京 102249）

鋼梁上翼緣板受壓，下翼緣板受拉，減薄或者去掉下翼緣板，在減薄的下翼緣板處增加高強鋼筋或鋼絲繩，就能補足或超出原下翼緣板所能承受的拉應力。因為高強鋼筋或鋼絲繩的抗拉強度比普通鋼板高很多，這種方法，能夠節省一部分鋼材。

鋼梁；等強設計；節省材料

1 鋼梁的種類。

鋼梁從結構形式上可分成型工字鋼梁、焊接工字鋼梁、T型鋼梁，焊接雙腹鋼梁、花梁、異型鋼梁。

2 箱形鋼梁結構。

箱形鋼梁，也稱為焊接雙腹鋼梁，典型的結構是:上翼緣板，下翼緣板，腹板，大筋板，小筋板。上翼緣板承受鋼梁自身重量及載荷所產生的壓應力。腹板和隔板保持整體剛度并承受剪力，腹板接近上翼緣板處輔助承擔部分壓應力，腹板接近下翼緣板處輔助承擔部分拉應力。下翼緣板，承受鋼梁自身重量及載荷所產生的拉應力。

3 鋼梁節省材料結構設計。

對于箱形鋼梁，上翼緣板，腹板，大、小隔板都按原設計制作組裝。對于下

翼緣板，在等強原則下應有幾種方法。①保留但要減薄下翼緣板。在大隔板下面，并以大隔板為中心對稱布置寬200毫米厚度同上翼緣板的加強版，加強版下的耳板固定鋼絲繩并將力傳遞到鋼絲繩。②不在保留下翼緣板，在大隔板下面與兩腹板組焊一塊寬200毫米厚度同上翼緣板的加強板。其作用為保持箱梁的剛度，并在該板下加裝固定鋼絲繩的耳板。鋼絲繩在梁中心線兩側對稱布置；編花設置對鋼梁整體的剛度應該更好。

4 鋼梁的上拱度。

正常情況下鋼梁在自重作用下會產生一定的下撓度，此時上翼緣板受壓

下翼緣板受拉。增加鋼絲繩的鋼梁，可以人為地改變鋼梁撓度方向，利用鋼絲繩抗拉強度高的特點，在制作階段將鋼梁制出反拱，使鋼梁上翼緣板受拉下翼緣板受壓。鋼梁在受載使用階段，上翼緣板會從一定的拉應力狀態逐步變為受力為零，在從零起步逐步承受一定的壓應力。對應于上翼緣板受力的變化，下翼緣板始終承受拉應力，而鋼絲繩的特點是抗拉能力強。從而節省材料或提高鋼梁承載能力。對于需要產生上供的量，應視具體情況具體確定。由于筆者不是專業設計人員，恕不能給出確切的數值。

鋼絲繩梁端固定。簡單的受力不是很大的鋼梁，鋼絲繩可以直接固定在下翼緣板。當鋼梁受力較大，且梁端剪力較大時，應將鋼絲繩在梁端以45-60度角拉起，將鋼絲繩固定在上翼緣板。

5 鋼梁節省材料的原理

節省材料并提高鋼梁承載能力來源于四部分。①理論上講，普通鋼梁中心線以上受壓、以下受拉。如上所述減薄或去掉下翼緣板，則下翼緣板不再承擔由自重及載荷所產生的拉應力，拉應力完全由鋼絲繩來承擔，減薄或者去掉了下翼緣板，相對于增加的鋼絲繩來說顯而易見的就節省了鋼材。②被去掉的下翼緣板，其重量遠大于鋼絲繩的重量，從而減輕了自重，在承載力不變時，可以減薄上翼緣板和腹板的用材量。③正常鋼梁，上翼緣受壓下翼緣受拉，而去掉下翼緣板并增加鋼絲繩的鋼梁，其上翼緣與腹板應該都是受壓構件，其截面慣性矩及抗彎模量要遠遠大于沒有去掉下翼緣板的鋼梁。在承載力不變時，可以減薄上翼緣板和腹板的用材量。④鋼絲繩抗拉強度遠遠大于普通鋼板，利用這一特點，在鋼梁組焊結束加裝鋼絲繩時，使用工裝將鋼絲繩拉緊、受力。最終鋼梁會出現上拱，確定并達到一定的上拱量時，將鋼絲繩固定在鋼梁上。這時的鋼梁上翼緣板受拉，靠近鋼絲繩的下邊緣受壓。其受力狀況與正常鋼梁相反。逐步加載，加載初期，鋼梁上翼緣板所受拉應力逐步減少，逐漸趨近于零，之后上翼緣板由受拉應力進而變成受壓應力。鋼梁上翼緣板從受拉應力到受力為零時，已經承擔了一定的載荷。當外載荷或承載力不變時，可以減薄上翼緣。

6 理論設計

鋼梁上、下翼緣板20毫米厚500毫米寬，兩腹板厚14毫米，梁高800毫米，梁長L米，梁中部集中載荷P。正常梁截面慣性矩軸與梁型心軸重合，其截面慣性矩J=（500*20^3/12+500*20*390^2）*2+2*14*380^3/12=3.107*10^9MM^4； 當去掉下翼緣板增加鋼絲繩后，梁截面慣性矩軸在梁的最下邊緣，此時，上翼緣板面積A上=500*20=10000M^2，型 心Y上 =20/2+760+20=790MM， 腹板 面 積 A復 =14*760*2=21280M^2，腹 板 型 心Y復=760/2+20=400MM，異形梁截面型心縱坐標Y異=（10000*790+21280*400）/（10000+21280）=524.68MM，上翼緣板截面慣性矩為J上 =（500*20^3/12+500*20*790^2）=6.24*10^9MM^4 。J復 =14*760^3/12*2+ 14*760*2*524.68^2=6.88*10^9MM^4。 異形梁的截面慣性矩J異=6.24*10^9MM ^4+6.88*10^9MM^4=13.12*10^9MM^4。13.12*10^9MM^4/3.107*10^9MM^4=4.22倍。由此可見增加了鋼絲繩的異型鋼梁，其承載能力有了很大提高。

正常鋼梁σ正=PL400/2/3.1*10^9。異型鋼梁σ異=PL790/2/13.1210^9。σ 異 /σ 正 =PL790/2/13.1210^9/ PL400/2/3.1*10^9=0.47。就是說增加了鋼絲繩鋼梁，在相同載荷作用下，材料所受應力只是正常鋼梁所受應力的0.47倍。相當于承載能力提高2.14倍。考慮到鋼梁施加反拱，還可以提高承載能力。

7 其他用途

處于動載狀態下的箱形鋼梁，如橋式起重機，大型龍門式起重機、花梁門吊等起重設備，長期使用上拱消失，并產生下撓度影響使用。修復下撓度的方法有多種：①火炎校正修復上拱度；②再次電焊增加角焊縫強度；③在下翼緣板處焊接補強板等；④本文的所述也是較好選項之一。

[1]結構設計[Z].

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