H型钢梁,抗扭到底算哪些、怎么算?(附计算案例和设计程序)

职场   科技   2024-06-06 08:01   上海  
大家好,我是双无余。

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. 1. 扭转产生哪些应力

  2. 2. 各种应力的计算

  3. 3. 扭转稳定的计算

  4. 4. 扭转变形的计算

  5. 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。


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