工字型截面鋼梁（工字型鋼梁在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用）

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

工字型截面鋼梁（工字型鋼梁在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用）鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架設(shè)計(jì) 第1張

一,、工字型截面鋼梁的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

截面形狀優(yōu)勢(shì)
- 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(shí)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(chǎn)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(jīng)濟(jì)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(nèi)邊有1:10坡度,，而寬翼緣工字鋼的翼緣進(jìn)行了加寬,，且內(nèi)、外表面通常是平行的,，便于用高強(qiáng)度螺栓和其他構(gòu)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(hào)數(shù)表示規(guī)格的主要尺寸,，如18號(hào)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(guò)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(wú)斜度的工字鋼軋制時(shí)，須增設(shè)一組立式軋輥同時(shí)進(jìn)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(shè)備設(shè)置相對(duì)復(fù)雜。在中國(guó)可生產(chǎn)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(guò)這個(gè)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(dāng)需要的鋼梁尺寸較大,，超過(guò)軋制工藝的限制時(shí)，就可以采用板梁的形式來(lái)制作工字形鋼梁,。

二,、工字型截面鋼梁的力學(xué)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(xué)性能可以通過(guò)一些計(jì)算公式來(lái)計(jì)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(yīng)力， $\varepsilon$ 為梁的應(yīng)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(zhǎng)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(shí)的性能,，如計(jì)算其應(yīng)力、應(yīng)變,、撓度等參數(shù),，從而評(píng)估其是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。
- 扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)截面,。不過(guò)在工程設(shè)計(jì)中,，一般僅對(duì)鋼梁構(gòu)件的強(qiáng)度,、剛度、整體穩(wěn)定性,、局部穩(wěn)定性做設(shè)計(jì)驗(yàn)算,，而很少涉及鋼梁截面扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的分析，但按照現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性要求進(jìn)一步提高時(shí),，也有必要對(duì)鋼梁截面在扭矩作用下的應(yīng)力作出分析。
穩(wěn)定性分析
- 整體穩(wěn)定性：例如雙軸對(duì)稱鋼梁截面設(shè)計(jì)中判別強(qiáng)度控制和剛度控制的臨界跨高比的概念,，對(duì)于組合雙軸對(duì)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(guān)系式,。另外，在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論及鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,、水工鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范中,，對(duì)雙懸臂工字梁在簡(jiǎn)單荷載及組合荷載作用下的穩(wěn)定性無(wú)相應(yīng)的計(jì)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(shè)計(jì)成果，可見(jiàn)工字形鋼梁整體穩(wěn)定性分析的復(fù)雜性和重要性,。
- 局部穩(wěn)定性：對(duì)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(duì)腹板屈曲的嵌固作用；在局部穩(wěn)定與整體穩(wěn)定臨界應(yīng)力接近的簡(jiǎn)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(guān)系,；此外，如翼緣或腹板太細(xì)時(shí)可能出現(xiàn)局部屈曲,，細(xì)長(zhǎng)的腹板會(huì)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(shí)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(yīng)用場(chǎng)景

建筑結(jié)構(gòu)方面
- 在多層建筑中，可用于梁和柱的構(gòu)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(duì)高層建筑工程實(shí)例進(jìn)行考察后,，挑選代表性的工字形懸挑鋼梁分不同工況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和比較分析,，發(fā)現(xiàn)按照規(guī)范搭設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中的重要組成部分,，用于構(gòu)建橋梁的梁體部分，為橋梁提供必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性,。
機(jī)械和車輛方面
- 在機(jī)械制造和車輛制造領(lǐng)域,，工字鋼可用于制作各種支架、框架等結(jié)構(gòu)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(jī)械設(shè)備或車輛的整體結(jié)構(gòu)提供支撐和穩(wěn)固的框架結(jié)構(gòu),，確保機(jī)械設(shè)備或車輛在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和可靠性,。