工字型截面鋼梁（工字型鋼梁在橋梁設計中的應用）

安慶加固改造設計公司 2天前 ( 01-14 17:32 ) 1 搶沙發(fā)

工字型截面鋼梁是橋梁設計中常用的一種結構形式，其特點是具有較寬的翼緣和較窄的腹板。這種結構形式的主要優(yōu)點是能夠提供較大的抗彎剛度和抗扭剛度，同時減輕結構重量，提高施工效率。在橋梁設計中，工字型截面鋼梁廣泛應用于主橋、引橋、拱橋等各類橋梁結構中。通過合理的設計計算和構造措施，可以充分發(fā)揮工字型截面鋼梁的優(yōu)點，滿足不同橋梁工程的需求。

一、工字型截面鋼梁的基本結構特點

截面形狀優(yōu)勢
- 工字型截面鋼梁的截面形狀為工字形，這種形狀在腹板平面上承載彎曲和剪切載荷時非常有效，根據(jù)歐拉 - 伯努利梁方程，I形（工字形）截面是一種很有效的形式。它的腹板主要承受剪力，翼緣主要承受彎矩產生的壓力和拉力，能使鋼材合理地發(fā)揮其承載能力，是一種經濟截面型鋼材。工字型截面鋼梁包括普通工字鋼、輕型工字鋼和寬翼緣工字鋼等類型。普通工字鋼的翼緣內邊有1:10坡度，而寬翼緣工字鋼的翼緣進行了加寬，且內、外表面通常是平行的，便于用高強度螺栓和其他構件連接。其規(guī)格以腰高(h)腿寬(b)腰厚(d)的毫米數(shù)表示，如“工160886”，即表示腰高為160毫米、腿寬為88毫米、腰厚為6毫米的工字鋼，也可用號數(shù)表示規(guī)格的主要尺寸，如18號工字鋼，表示高為18cm的工字鋼。
不同制造形式
- 軋制工字梁：通過熱軋、冷軋或擠壓（取決于具體情況）形成。軋制的工字鋼，例如在軋制工藝上，由于翼緣較寬且無斜度的工字鋼軋制時，須增設一組立式軋輥同時進行輥軋，與普通工字鋼僅用一套水平軋輥不同，其軋制工藝和設備設置相對復雜。在中國可生產的最大軋制H型鋼（H型鋼也屬于工字形鋼梁的一種形式）高度為800mm，超過這個高度只能是焊接組合截面。此外，軋制工字鋼的翼緣有等厚度的情況，也有不等厚度的情況，如RSJ（軋制鋼托梁）有的法蘭厚度不同，而平行法蘭的RSJ更容易連接并且不需要錐形墊圈。
- 板梁：由焊接（或偶爾螺栓連接或鉚接）板形成。當需要的鋼梁尺寸較大，超過軋制工藝的限制時，就可以采用板梁的形式來制作工字形鋼梁。

二、工字型截面鋼梁的力學性能分析

受力性能
- 彎曲和剪切載荷：在腹板平面上能有效地承載彎曲和剪切載荷。其截面的力學性能可以通過一些計算公式來計算，如工字鋼截面面積： $A = h*b1 + B1*b2$ （其中，h為工字鋼截面高度，b1為上翼板寬度，b2為下翼板寬度，B1為腰板寬度）；工字鋼慣性矩： $I=\frac{1}{12}*[b1*h^3 + B1*(h - t)^3 + b2*(h - t)^3]$ （其中，t為腰板厚度）；工字鋼截面模量： $W = I/(h/2)$ ；工字鋼梁的彈性模量： $E=\sigma/\varepsilon$ （其中，E為彈性模量， $\sigma$ 為梁的應力， $\varepsilon$ 為梁的應變）；工字鋼梁的撓度： $\delta=(5*M*l^4)/(384*E*I)$ （其中，M為梁的彎矩，l為梁長度）等，這些公式可用于分析工字鋼梁在承受彎曲和剪切載荷時的性能，如計算其應力、應變、撓度等參數(shù)，從而評估其是否滿足結構設計要求。
- 扭轉性能：工字形截面在橫向方向上的降低，并且在承載扭矩方面很低效，因此在承受扭矩較大的情況下，通常優(yōu)選空心結構截面。不過在工程設計中，一般僅對鋼梁構件的強度、剛度、整體穩(wěn)定性、局部穩(wěn)定性做設計驗算，而很少涉及鋼梁截面扭轉應力的分析，但按照現(xiàn)行的結構設計理念，對結構構件的安全性要求進一步提高時，也有必要對鋼梁截面在扭矩作用下的應力作出分析。
穩(wěn)定性分析
- 整體穩(wěn)定性：例如雙軸對稱鋼梁截面設計中判別強度控制和剛度控制的臨界跨高比的概念，對于組合雙軸對稱工字形鋼梁在不同腹板高厚比下，其腹板高度與截面模量、截面慣性矩存在特定的關系式。另外，在結構穩(wěn)定理論及鋼結構規(guī)范、水工鋼閘門設計規(guī)范中，對雙懸臂工字梁在簡單荷載及組合荷載作用下的穩(wěn)定性無相應的計算方法，且規(guī)范中的各種近似處理方法既不統(tǒng)一，誤差又大，直接影響設計成果，可見工字形鋼梁整體穩(wěn)定性分析的復雜性和重要性。
- 局部穩(wěn)定性：對于均勻彎曲的彈性工字形鋼梁，要考慮腹板的局部穩(wěn)定以及受壓翼緣對腹板屈曲的嵌固作用；在局部穩(wěn)定與整體穩(wěn)定臨界應力接近的簡支梁中，還需要考慮腹板局部穩(wěn)定與梁整體穩(wěn)定的相互關系；此外，如翼緣或腹板太細時可能出現(xiàn)局部屈曲，細長的腹板會因屈曲和波紋而失效，但法蘭的剛度也能抵抗這種局部屈曲現(xiàn)象，有時還需要加勁肋為工字梁的腹板提供穩(wěn)定性。

三、工字型截面鋼梁的應用場景

建筑結構方面
- 在多層建筑中，可用于梁和柱的構建。其中，UC（可能是某種工字鋼類型）具有相等或接近相等的寬度和深度，更適合垂直定向以承受軸向載荷，可作為柱子；而UB（可能是另一種工字鋼類型）的深度明顯大于寬度，更適合承受彎曲載荷，例如作為梁地板中的元素。在高層建筑工程中，工字鋼可用于懸挑鋼梁，如對高層建筑工程實例進行考察后，挑選代表性的工字形懸挑鋼梁分不同工況進行內力計算和比較分析，發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范搭設的鋼梁其承載力具有很高的富余度等情況。
橋梁工程方面
- 工字鋼廣泛用于各種橋梁結構中，由于其較好的彎曲和剪切承載能力，能夠滿足橋梁在車輛荷載、自重等多種荷載作用下的受力要求，是橋梁結構中的重要組成部分，用于構建橋梁的梁體部分，為橋梁提供必要的結構強度和穩(wěn)定性。
機械和車輛方面
- 在機械制造和車輛制造領域，工字鋼可用于制作各種支架、框架等結構部件，利用其能夠承受不同方向的載荷（如彎曲、剪切載荷等）的特性，為機械設備或車輛的整體結構提供支撐和穩(wěn)固的框架結構，確保機械設備或車輛在運行過程中的安全性和可靠性。