之前有四篇文章,循序渐进地聊了钢结构建筑中“扭”的问题。本来想着写得科普易读一些,只要能引起重视,目的也就达到了,深究的话,有不少资料可供参考。
后面读者留言中,还是对如何具体操作有不少困惑。索性就再试着写一篇关于具体理解和操作层面的内容。
对于钢梁抗扭的计算,无外乎三个内容:应力、变形、稳定。本文主要内容如下(最后提供一个最全的抗扭设计程序和可编辑的Mathcad计算书示例):
1. 扭转产生哪些应力
2. 各种应力的计算
3. 扭转稳定的计算
4. 扭转变形的计算
5. 用软件扭转设计
1. 扭转产生哪些应力
1.1 正应力的组成
从上图可知,正应力主要由两个方向的弯矩产生的“ ”、“ ”和扭转翘曲约束产生的“ ” 即,
1.2 剪应力的组成
从上图可知,剪应力主要由剪力产生的“ ”和扭转翘曲约束产生的“ ”。
为什么没有纯扭转产生的剪应力呢?看下面这张小编用Mathcad画的图。根据各个应力在杆件长度上变化的曲线可以发现,纯扭的剪应力在验算最不利截面位置时,数值占比很小,可忽略。
2. 各种应力的计算
2.1 翘曲正应力
式中:
• 为弯矩双力矩( )
• 为翘曲扭转特性( )
• 扇形面积,即扇性坐标( )
• 翘曲惯性矩(主扇性惯性矩)( )
2.2 翘曲剪应力
式中:
• 翘曲扭矩( )的计算公式:
• 翘曲静矩(扇性静矩)( )
2.3 其他正应力和剪应力
弯矩和剪力产生的应力计算,经常用,按照规范计算即可。
2.4 应力的组合
这里要注意,翼缘和腹板有所不同。由于没有考虑纯扭作用产生的剪应力,在计算腹板抗剪时,应注意这里可能会带来的不利影响。
3. 扭转稳定的计算
目前只看到《冷弯薄壁型钢结构技术规范》有涉及弯扭稳定性问题的具体计算,但适用的类型只是简支梁。
在EN 1993-6: 2007 附录A中 有具体公式来进行计算。
• 强轴的弯矩屈曲承载力
• 横向扭转屈曲的折减系数: 由 从屈曲曲线得出。
以上计算过程,过于复杂,可借助软件来完成。
4. 扭转变形的计算
扭转产生的转动变形如下图所示,那转角的限值是多少呢?规范并没有给出具体的数值,如果是两端固接的H型钢梁,即使应力已经达到限值,转角还是很小的,在给的算例中是0.35°。
在《SCI P385》中,给出的具体建议数值是2°。转角变形具体计算方法,可以参见设计程序和计算案例。
那要不要考虑二阶效应?这就要根据具体杆件的计算结果来选择了。转动是否会带来竖向荷载更大的偏心呢?
5. 用软件扭转设计
5.1 通用结构软件
能够进行钢梁扭转设计的通用计算软件有:• MIDAS
在定义构件截面时,勾选”考虑翘曲效果(7自由度)“,就会有扭转的所有计算结果。在进行设计校核时,选择欧标,会有具体的过程结果输出。
• SAP2000
如下图所示切换是否考虑扭转。程序将仅考虑以下截面的扭转:I 型、槽型、
矩形空心、方形空心和圆形空心截面。
5.2 抗扭设计程序
这个程序专门用来分析扭转作用的钢梁,数据输入和结果查询,针对性强,内容全面,非常方便。
5.3 自编Mathcad计算
为了展现其中每个参数的计算细节,小编用Mathcad软件写了一个计算书,可以从里到外地理解整个钢梁抗扭设计的详细过程。
有Mathcad软件的读者,可以根据需要自行修改使用。
6. 小结
小编在用Mathcad打公式的时候,发现了《建筑结构静力计算实用手册(第2版)》P129页,有个计算公式错误的地方,需留意。
以上内容,基本上抗扭计算所涉及的内容,都有提及。工作繁忙,时间仓促,陆陆续续花了数周完成以上内容,如有不清楚或者不对的地方,还望交流指教。以下是获取以上资料的方式。
回复“006”,获取以上文章内容的国内、外的参考资料。
抗扭软件和Mathcad计算书,按需点击下面的链接索取:
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