大家好，我是双无余。
有读者留言，希望写一篇关于钢结构起拱的文章，“钢梁一般多长才需要起拱？和截面高度有关吗？”下面我们就展开聊一聊：为什么要预起拱、预起拱有哪些要求、有哪些方法、会受哪些因素影响、最后小结一下。
为什么要预先起拱？
大跨度的钢梁或者钢桁架，在自重以及外部荷载的作用下，可能会出现明显的下挠现象，影响结构的美观、稳定性和使用性能，所以，一般都需要，在加工制造的阶段，采取预起拱处理。这样可以抵消钢结构在安装和使用过程中过大的下挠，保证结构在长期使用状态下保持设计的形态和性能、改善外观和使用效果。
对于楼屋面，可以保证结构楼面的平整度，减少材料的用量。
起拱大小有哪些要求？
《钢标》GB50017
3.4.3 预先起拱大小应视实际需要而定，可取恒载标准值加1／2活载标准值所产生的挠度值。当仅为改善外观条件时，构件挠度应取在恒荷载和活荷载标准值作用下的挠度计算值减去起拱值。
这里的前提条件“仅为改善外观条件”，有时在具体理解上，会出现以下质疑：
不起拱，竖向挠度超限了；起拱后，扣除起拱值，构件的实际刚度前后一点没变，但是位移就从不满足变得满足了，合理吗？虽然规范里明确挠度可以扣除起拱值，但是也是仅为改善外观条件下。这么一绕，感觉有点头晕了。不过这个质疑想想也是很有意思的，欢迎大家留言讨论，感兴趣的话，我们后面再展开聊一聊。
《冷弯薄壁》GB50018
9.2.1 两端简支的跨度不小于15m的三角形屋架和跨度不小于24m的梯形或平行弦屋架，当下弦无曲折时，宜起拱，拱度可取跨度的 1／500。
《新钢结构设计手册》
对于跨度不小于24m 的吊车梁或吊车桁架，制作时宜按跨度的 1/1000 起拱。
为什么是1/500？
预起拱钢梁跨度的1/500，那么10米长的梁，起拱值是2cm，20米就是4cm。看绝对值更直观，个人的理解，这个1/500主要基于以下考虑：
1. 工程经验：这个比例能够有效补偿大部分因恒载和部分活载引起的挠度。
2. 挠度限制要求：梁的最大允许挠度通常为跨度的1/250到1/400。
L/500其实是一个工程经验值，具体项目中有时要根据实际情况进行计算。考虑因素可能会有：实际荷载、梁的刚度、使用功能要求，屋面的排水等。如果预起拱得太多，可能会出现上面图中的情况。
实现起拱有哪些方法？
热轧H型钢
• 冷预拱（机械预拱）：主要采用压弯机或液压顶升等设备，适用于较小的预拱量。操作相对简单，但可能需要多次尝试才能达到精确的预拱量。精度控制较为困难，需要经验丰富的操作人员来确保最终效果。此外，这种方法还会增加构件在车间内转运的成本。
• 热预拱：利用钢材的热膨胀特性，通过精确控制加热和冷却过程，使钢梁产生永久变形。这种方法特别适用于需要较大预拱量或机械方法难以实现的情况。整个过程相对复杂，耗时较长。
焊接H型钢
这种钢梁，可以采用两种加工方式：
1. 钢梁腹板按照起拱状态进行下料，翼缘板长度考虑起拱余量后下料。此加工方式满足设计要求，结构受力较好，但材料损耗较大。这需要深化设计中就按照起拱状态来进行。
2. 翼缘板和腹板按照平直状态下料，钢梁制作完成后再通过火焰加热和顶弯处理实现起拱。这种方法能有效减少材料浪费，但会增加人工成本和辅材消耗。
桁架梁
格构式结构的起拱方法与实腹式构件相似，但由于结构形式不同，计算初始预拱值时所有节点的坐标都会发生变化。腹杆长度也会相应改变。因此，在结构制作前，必须精确计算出每个节点的新坐标。
实际加工制作时，也有两种方式可供选择：
1. 对于桁架结构，在加工制作之前考虑预起拱的方式。优点是制作完成后起拱曲线比较精确，缺点是制作工艺复杂，计算工作量大。
2. 构件分段制作拼接时考虑预起拱，通过调整分段点处的起拱值进行预起拱。这种方法与理论起拱曲线有一定误差，但施工相对简单。
起拱有哪些关键影响因素？
1. 结构设计因素：包括构件的跨度、荷载条件（如恒荷载和活荷载的如何分配比例）的挠度限值等。
2. 材料属性：钢梁在冷弯和热弯过程中如何相应施加外力或加热条件。钢材在过高的温度下弹性模量显著降低，会影响热起拱的效果。
3. 制造方法和设备限制：冷弯，受设备要求，通常适用于特定长度以上的构件；对于长度较短的构件或腹板薄的梁，通常采用热弯方法。
4. 施工现场条件：混凝土浇筑对起拱后的梁的变形也会有影响。此外，梁的端部连接形式等也会影响施工后的实际效果。
5. 残余应力因素：在钢材冷弯或加热过程中会产生残余应力，这些应力随着时间和外在的影响可能会释放部分预起拱。
这些多种因素的组合决定了钢梁预起拱的最终效果，所以，关于钢梁的预起拱，美国AISC写了一本书《Design Considerations for Camber》来说明这个看似简单、实际上很复杂的问题。读者们如果感兴趣，欢迎讨论交流，我们再安排对其内容进行展开聊聊。
小结
这一篇的内容有点长了，能看到这里，多半都是老读者了，或者是热爱学习的新读者。一个聊技术的公众号，还是有阅读门槛的，之前不少的文章能有几万、十几万的阅读量，也是非常意外，毕竟对于技术类的文章，刚开始的认知是天花板很低的。非常感谢大家的关注、讨论、点赞支持。
读者们留言想要讨论的话题，我们一个一个地安排，虽然个人的水平有限，但也不想随便应付，目前更新的频率是坚持至少一周更新一篇。工作久了，就感觉人的精力是很有限，需要做很多取舍，比如要坚持写文章，那就只能多看书、少应酬、少看手机。
在和读者交流中，讨论到一些设计细节时，都有关注到了一个问题：国内这个领域的研究感觉大都很高大上，而想要对一些设计规定细节探究时，国内的书籍里大都是蜻蜓点水带过，国外却是花了大量的篇幅来研究和解释这些细节问题。
转念想了想，可能国外那些工程师，没什么太多高大上的项目做，太空闲了。
参考资料：《体育馆大跨度管桁架结构的预起拱设计》景明勇等，《大跨度钢桁架加工制作技术》李东等，《Design Guide 36 - Design Considerations for Camber》
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