門(mén)式剛架H型鋼梁翼緣厚度與梁穩(wěn)定性關(guān)系研究

呂 淼 王建省 王宗澤

北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

門(mén)式剛架H型鋼梁翼緣厚度與梁穩(wěn)定性關(guān)系研究

呂 淼 王建省 王宗澤

北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

基于采用H型鋼做鋼梁的大跨度門(mén)式剛架進(jìn)行分析，用PKPM軟件建立了力學(xué)分析模型，設(shè)定了力學(xué)計(jì)算參數(shù)，模擬真實(shí)剛架的受力，給出恒荷載、線荷載及風(fēng)荷載作用于鋼梁，并選取高度、翼板寬度、腹板厚度相同但翼緣厚度不同的幾組梁進(jìn)行計(jì)算分析，從而總結(jié)出門(mén)式剛架H型鋼梁翼緣厚度與梁穩(wěn)定性的關(guān)系。

研究背景

近年來(lái)，我國(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展，大量輕型鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，其中不乏個(gè)性化，結(jié)構(gòu)形式靈活多變的大跨結(jié)構(gòu)。門(mén)式剛架是輕型鋼結(jié)構(gòu)的一種形式，受力性能好、建筑造型美觀、施工速度快、而且用鋼量較少、造價(jià)低廉，在我國(guó)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、居住及公共建筑，是比較常用的一種結(jié)構(gòu)方案。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和跨度較大時(shí)，宜采用變截面。

本案例通過(guò)建立模型計(jì)算對(duì)比，分析了大跨度門(mén)式剛架變截面梁的翼緣厚度對(duì)于梁穩(wěn)定性的影響。

截面尺寸設(shè)置

研究大跨度門(mén)式剛架在荷載作用下H型鋼梁翼緣厚度與梁穩(wěn)定性關(guān)系，材料統(tǒng)一使用Q235鋼，屬性參數(shù)取對(duì)應(yīng)的屬性參數(shù)，桁架梁凈跨為72m，榀間距為9m，兩側(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，梁與柱均采用焊接H型鋼，為節(jié)省用鋼量，使截面合理，梁柱均采用變截面，其中柱采用變截面H型鋼，梁采用三等分的變截面H型鋼。

柱的截面尺寸為。變截面梁的三段尺寸（以為初始組數(shù)據(jù)）分別為H1600 ~ 1200×400×14×20，H1200×400×14×20，H1200 ~ 1600×400×14×20。所有數(shù)值單位均為mm。

選定除翼板厚度外其他截面尺寸均相同的截面進(jìn)行計(jì)算分析。翼緣厚度分別取20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm，將數(shù)據(jù)輸入PKPM進(jìn)行計(jì)算。

荷載及參數(shù)設(shè)置

本案例按照《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS102：2002）計(jì)算。

利用PKPM軟件中門(mén)式剛架模塊進(jìn)行案例門(mén)式剛架的建模，以中間區(qū)的一榀剛架為例進(jìn)行計(jì)算，軟件中各項(xiàng)參數(shù)的輸入如圖1所示。

參數(shù)設(shè)置好后開(kāi)始設(shè)置荷載。根據(jù)案例的實(shí)際情況，考慮輸入的荷載有恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載。因采用PKPM計(jì)算的時(shí)候，梁柱的自重會(huì)由軟件自動(dòng)生成，最終給定恒荷載的輸入值為，活荷載的輸入值為，風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為，風(fēng)荷載的相關(guān)系數(shù)、荷載分項(xiàng)系數(shù)、荷載組合系數(shù)等系數(shù)均按《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》為標(biāo)準(zhǔn)取值輸入軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖1　PKPM參數(shù)設(shè)置

已知選定除翼板厚度外其他截面尺寸均相同的截面進(jìn)行計(jì)算分析，由于結(jié)構(gòu)自重軟件已自行計(jì)量，計(jì)算中唯一變量為翼緣厚度。變量翼緣厚度分別取20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm，點(diǎn)擊計(jì)算得出計(jì)算結(jié)果，整理所得數(shù)據(jù)如表1所示。其中，各組數(shù)據(jù)的腹板寬厚比、考慮屈曲后強(qiáng)度抗彎承載力比值、抗剪強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比、平面外穩(wěn)定應(yīng)力比（對(duì)應(yīng)長(zhǎng)細(xì)比）均滿足穩(wěn)定性要求。

表1　梁的穩(wěn)定性相關(guān)參數(shù)表

翼緣厚度與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果繪出相應(yīng)的變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖2－圖4。

結(jié)合圖表可看出，當(dāng)翼緣厚度逐漸增大時(shí)，考慮屈曲后強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比呈變小趨勢(shì)，即結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度越大。

當(dāng)翼緣厚度逐漸增大時(shí)，抗剪強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力比呈變大趨勢(shì)，即結(jié)在抗剪強(qiáng)度越小。

當(dāng)翼緣厚度逐漸增大時(shí)，平面外穩(wěn)定計(jì)算最大應(yīng)力比呈變小趨勢(shì)，即梁的平面外穩(wěn)定性越好。

圖2　翼緣厚度與考慮屈曲后強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力比的關(guān)系

圖3　翼緣厚度與抗剪強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力比的關(guān)系

圖4　翼緣厚度與平面外穩(wěn)定計(jì)算最大應(yīng)力比的關(guān)系

結(jié)語(yǔ)與建議

本文研究了門(mén)式剛架H型鋼梁翼緣厚度與梁穩(wěn)定性關(guān)系，用PKPM軟件建立了分析模型，設(shè)定相關(guān)的計(jì)算參數(shù)并分別進(jìn)行取值，得出計(jì)算結(jié)果后整理分析并繪出函數(shù)圖，總結(jié)分析出翼緣厚度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

結(jié)論表明，當(dāng)翼緣厚度逐漸增大時(shí)，結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度變大，抗剪強(qiáng)度變小，梁的平面外穩(wěn)定性越好，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要綜合經(jīng)濟(jì)等方面因素進(jìn)行具體分析設(shè)計(jì)。