第21章-受彎構件-梁

第21章受彎構件——梁第21章受彎構件——梁

受彎構件是指主要承受橫向荷載作用的構件。鋼結構中最常用的受彎構件就是鋼梁。它是組成鋼結構的基本構件之一，鋼梁多指用型鋼或鋼板制造的實腹式構件。鋼梁按荷載作用情況的不同可分為單向彎曲梁和雙向彎曲梁。鋼梁按加工制作方式可分為型鋼梁和組合梁，如圖21-1所示，由型鋼截面組成的梁稱為型鋼梁；由幾塊鋼板組成的梁稱為組合梁。圖21-1鋼梁的截面形式

第21章受彎構件——梁

型鋼梁通常采用的型鋼為工字鋼、H型鋼和槽鋼，如圖21-1(a)~圖21-1(c)所示。工字鋼及H型鋼是雙軸對稱截面，受力性能好，應用廣泛。槽鋼截面剪力中心在腹板外彎曲時比較理想，并且在構造上便于處理。型鋼梁結構簡單，制造方便，成本較低，但因軋制條件的限制，截面尺寸小，故僅適用于跨度及荷載較小時的情況。當荷載及跨度較大時，現(xiàn)有的型鋼規(guī)格往往不能滿足要求，應考慮采用組合梁。

組合梁最常用的是用三塊鋼板焊成的工字形截面，如圖21-1(d)所示，其構造簡單，加工方便，并可以根據(jù)受力需要調(diào)配截面尺寸，所以用鋼節(jié)省。當荷載或跨度較大且梁高又受限制或抗扭要求較高時，可采用雙腹板式的箱形截面，如圖21-1(e)所示，但其制造費工，施焊不易，且較費鋼。鋼梁的設計應滿足強度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定四個方面的要求。（21-1）21.1梁的強度和剛度第21章受彎構件——梁21.1.1

（21-1）21-1第21章受彎構件——梁表21-1表21-1續(xù)第21章受彎構件——梁21.1.2梁的強度

對于鋼梁要保證強度安全，就應要求在設計荷載作用下梁的正壓力、剪應力及局部壓應力不超過鋼結構設計標準規(guī)定的強度設計值。對于梁內(nèi)有正應力、剪應力及局部壓應力共同作用處，還應驗算其折算應力。

1.抗彎強度梁在彎矩作用下，截面上正應力的發(fā)展過程可分為三個階段，即彈性工作階段、彈塑性工作階段和塑性工作階段，如圖21-2所示。圖21-2梁截面的應力分布第21章受彎構件——梁第21章受彎構件——梁第21章受彎構件——梁第21章受彎構件——梁

2.抗剪強度梁的抗剪強度按彈性設計，《鋼結構設計標準》以截面的最大剪應力達到鋼材的抗剪屈服強度作為抗剪承載能力的極限狀態(tài)。由此對于繞強軸（x軸）受彎的梁，剪應力分布如圖21-2（f）所示。第21章受彎構件——梁

3.腹板局部壓應力

當梁上翼緣承受沿腹板平面作用的固定集中荷載，且該處又未設支撐加勁肋，如圖21-3（b）所示，或承受移動集中荷載（如吊車輪壓，圖21-3（a））作用時，為保證這部分腹板不致受壓破壞，必須對集中荷載引起的腹板局部橫向壓力進行計算。在集中荷載作用下，腹板在計算高度邊緣處的局部壓應力分布如圖21-3(a)所示，計算時通常假定集中荷載從作用點處在hy高度范圍內(nèi)以1∶2.5的斜率，在hR高度范圍內(nèi)以1∶1的斜率擴散，并均勻分布于腹板的計算高度邊緣。圖21-3梁腹板局部壓應力第21章受彎構件——梁

4.折算應力在組合梁的腹板計算高度邊緣處若同時受有較大的正應力、剪應力和局部壓應力，或同時受有較大的正應力和剪應力（如連續(xù)梁支座處或梁的翼緣截面改變處等）時，應按復雜應力狀態(tài)計算其折算應力。例如，如圖18-4所示對于受集中荷載作用的梁，在跨中截面處，彎矩及剪力均為最大值，同時還有集中荷載引起的局部橫向壓應力，這時梁截面腹板（計算高度）邊緣A點處，同時有正應力σ、剪應力τ及橫向壓應力共同作用。21.1.3梁的剛度

梁必須具有一定的剛度才能保證正常使用。剛度不足時，會產(chǎn)生較大的撓度。如平臺撓度過大，會使人產(chǎn)生不舒適感和不安全感，并影響操作；吊車梁撓度過大，可能使吊車不能正常運行，因此對梁的最大撓度或相對撓度v/l應加以限制，即第21章受彎構件——梁第21章受彎構件——梁21.2梁的整體穩(wěn)定21.2.1整體穩(wěn)定的概念梁是受彎構件，為了有效地利用材料，梁截面常設計成窄而高且壁厚較薄的開口截面，以提高梁的承載能力和剛度，但其抗扭和側向抗彎能力則較差。當梁在最大剛度平面內(nèi)受彎時，若彎矩Mx較小，則梁僅在彎矩作用平面內(nèi)彎曲，無側向干擾力作用下，會突然向剛度較小的側向彎曲，并伴隨扭轉。此時即使除去側向干擾力，側向彎扭變形也不再消失。若彎矩再略增加，則彎扭變形將迅速增大，梁也隨之失去承載能力，這種現(xiàn)象稱為梁的整體失穩(wěn)?，F(xiàn)以工字形截面梁為例對梁的整體穩(wěn)定概念進一步闡述（圖21-5）。從受力特性上看，梁上部受壓、下部受拉，其受壓翼緣和腹板連成一體，腹板起著支撐作用，此種情況不可能產(chǎn)生。第21章受彎構件——梁

當壓應力增加到一定數(shù)值時，受壓翼緣將沿其側向壓曲，并帶動梁整個截面一起側向位移，即整體失穩(wěn)。梁失穩(wěn)時表現(xiàn)為不同程度（受壓翼緣大，受拉翼緣小）側向變形的彎扭屈曲，因此梁喪失整體穩(wěn)定，又稱為梁發(fā)生側向彎曲扭轉屈曲。圖21-5梁喪失整體穩(wěn)定的情況第21章受彎構件——梁第21章受彎構件——梁21.2.2保證梁整體穩(wěn)定性的措施第21章受彎構件——梁圖21-6梁翼緣和腹板的失穩(wěn)變形

梁的拼接按施工條件分為工廠拼接和工地拼接。由于鋼材尺寸限制，梁的翼緣或腹板常常需接長或拼大，這種拼接在工廠中進行時，稱為工廠拼接。由于運輸或安裝條件限制，梁需分段制作和運輸，然后在現(xiàn)場拼裝，即工地拼接。21.3梁的拼接與連接

1.工廠拼接工廠拼接常采用焊接連接。如圖21-7所示。腹板和翼緣的拼接宜采用對接焊縫拼接，并用引弧板。對于一級、二級質量檢驗級別的焊縫不需要進行焊縫驗算。但當采用三級焊縫時，因焊接抗拉強度低于鋼材的強度，故可采用斜焊縫或將拼接位置布置在應力較小的區(qū)域。第21章受彎構件——梁圖21-7焊接梁的工廠拼接21.3.1梁的拼接

2.工地拼接工地拼接的位置主要由運輸及安裝條件確定。但最好布置在彎矩較小處，一般應使翼緣和腹板在同一截面和接近于同一處斷開，以便于分段運輸。當在同一截面斷開時（圖21-8（a）），端部平齊，運輸時不易碰損，但同一截面拼接會導致薄弱位置集中。為提高焊接質量，上、下翼緣要做成向上的V形坡口，以便俯焊。為使焊縫收縮比較自由，減小焊接殘余應力，靠近拼接處的翼緣板要預留出500mm長度在工廠不焊，在工地焊接時再按照圖21-8（a）所示序號施焊。第21章受彎構件——梁圖21-8焊接梁的工地拼接圖21-8（b）所示為翼緣和腹板拼接位置相互錯開的拼接方式，這種拼接受力較好，但端部突出部分在運輸中易碰損，應注意保護。圖21-9梁的高強度螺栓工地拼接對于需要在高空拼接的梁，常?？紤]高空焊接操作困難，采用摩擦型高強度螺栓連接。對于較重要的或受動力荷載作用的大型組合梁，考慮到現(xiàn)場施焊條件較差，焊縫質量難以保證，工地拼接時也可采用摩擦型高強度螺栓連接。這時梁的腹板和翼緣在同一截面斷開，吊裝就位后用拼接板和螺栓連接，如圖21-9所示。設計時取拼接處的剪力全部由腹板承擔，彎矩則由腹板和翼緣共同承擔，并根據(jù)各自剛度按比例分配。第21章受彎構件——梁21.3.2主、次梁的連接第21章受彎構件——梁主梁和次梁的連接分為鉸接和剛性連接兩種，鉸接應用較多，剛性連接只在次梁設計成連續(xù)梁時采用。

1.鉸接主、次梁鉸接時，連接主要傳遞次梁反力，通常有疊接和側面連接兩種形式。圖21-10所示為主、次梁疊接。圖21-11所示為次梁連于主梁側面的連接圖21-10簡支次梁與主梁疊接1—次梁；2—主梁圖21-11簡支次梁與主梁側面連接1—次梁；2—主梁第21章受彎構件——梁

2.剛性連接剛性連接也可采用疊接和側面連接。疊接可使次梁在主梁上連接貫通，施工較簡便，缺點也是結構高度較大。圖21-12連續(xù)次梁與主梁連接的安裝過程1—主梁；2—承托豎板；3—承托頂板；4—次梁；5—連接蓋板側面連接的構造如圖21-12所示，次梁的支座反力由承托傳至主梁，端部的負彎矩則由上、下翼緣承受，用在上翼緣設置的連接蓋板和在承托頂板傳遞彎矩分解的水平力N。蓋板與主梁上翼緣的連接焊縫采用構造焊縫。連接構造設計形式多樣，要根據(jù)具體情況用不同的構造方法，計算時首先要明確力的傳遞過程和每一部分在傳力中的作用，由此確定計算方法，進行合理的設計。第21章軸心受力構件21.4梁柱連接形式和構造

一般來說，從受力性能上來看，梁與柱的連接有鉸接、半剛性連接和剛性連接三種。在我國，鋼框架梁柱連接只限于剛性連接和鉸接兩種，對于半剛性連接目前有關設計鋼結構設計標準中還沒有涉及。而在其他一些國家，如美國鋼結構學會（AISC）規(guī)定，允許設計者在鋼框架設計中明確地考慮連接特性。美國容許應力設計（ASD）鋼結構設計標準列出了三種類型的構造：

（1）類型１或剛性連接。（2）類型２或簡支連接。（3）類型3或半剛性連接。荷載抗力系數(shù)設計（LRTD）鋼結構設計標準在其條文中指出了兩種類型的構造：FR（全約束）型和PR（部分約束）型。FR型相當于ASD的類型1，PR型包括了ASD的類型2和類型3。如果采用PR型，在分析和設計中必須考慮連接柔性的影響。第21章軸心受力構件21.4.1半剛性連接類型

半剛性連接主要通過摩擦型高強度螺栓/焊縫和連接件（角鋼、端板、T型鋼）把梁柱連接在一起，根據(jù)連接件的不同和連接位置的變化主要有以下類型：

1.雙腹板角鋼連接雙腹板角鋼連接由兩個角鋼，用焊縫或用螺栓連接到柱及梁的腹板上，如圖21-13（a）所示。試驗證明，這類連接能夠承受的彎矩可達梁在工作荷載下的全固端彎矩的29%，對于梁高度較大的連接尤其如此。

2.矮端板連接矮端板連接由一個長度比梁高小的端板用焊接與梁相連，用螺栓與柱相連組成，如圖21-13（b）所示。這類連接的彎矩-轉角特性與雙腹板角鋼連接相似。

3.頂?shù)捉卿撨B接如圖21-13（c）所示為一個典型的頂?shù)捉卿撨B接。根據(jù)試驗結果，這類連接可以抵抗一些梁端彎矩。第21章軸心受力構件圖21-13

各種半剛性連接類型第21章軸心受力構件

4.帶雙腹板角鋼的頂?shù)捉卿撨B接這類連接是頂?shù)捉卿撨B接與雙腹板角鋼連接的組合。圖21-13（d）所示為一個典型的帶雙腹板角鋼的頂?shù)捉卿撨B接。這類連接被視為最典型的半剛性連接。

5.外伸/平齊端板連接當連接要求抗彎時，端板連接是梁柱連接的常用方式。端板在加工廠與梁端兩個翼緣及腹板焊接，然后在現(xiàn)場用螺栓與柱連接。外伸端板連接分為兩類：僅在受拉邊的延伸端板連接，或在受拉及受壓兩邊的外伸端板連接。當結構承受交變荷載時，則可用雙邊的外伸端板連接，如圖21-13（e）、圖21-13（f）所示。此外，為了增加端板本身的剛度，可在端板外伸部分加設斜向加勁肋。

6.短T型鋼連接由設在梁上、下翼緣處的兩個短T型鋼，用螺栓與梁和柱相連而成，如圖21-13（g）所示，這類連接被認為是最剛勁的半剛性連接之一，當與雙腹板角鋼連接一起使用時，尤其剛勁。第21章軸心受力構件21.4.2鉸接類型

按照工程分析中的規(guī)定，只要外力作用下梁柱軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%的連接，就屬于鉸接，因此連接彎矩-轉角剛度很小，柔性很大的單腹板角鋼連接/單板連接屬于典型的鉸接。此外，柔性較小的雙腹板連接有時也屬于鉸接。21.4.3剛性連接類型

1.傳統(tǒng)剛性連接類型

鋼框架結構的梁柱連接多按剛性連接設計。梁柱剛性連接的主要構造形式有以下三種：①全焊節(jié)點，即梁的上、下翼緣用全熔透坡口對接焊縫，腹板用角焊縫與柱翼緣連接；②全栓接節(jié)點，梁的翼緣和腹板通過T形連接件使用高強度螺栓與柱翼緣連接；③栓焊混合節(jié)點，即梁的上、下翼緣通過全熔透坡口對接焊縫與柱翼緣連接，梁腹板使用高強度螺栓與預先焊在柱翼緣上的剪切板連接。第21章軸心受力構件

2.剛性連接存在的問題鋼框架梁柱剛性連接節(jié)點的破壞形式可歸納為：梁柱剛性連接節(jié)點在地震中的破壞集中在節(jié)點下翼緣焊縫處，連接的脆性斷裂通常由此形成。其可能存在的原因可以從以下幾方面來解釋：從梁的角度來看，首先位于梁上翼緣的剛性樓板與梁組成了組合截面，使得梁截面的中和軸上移，這就導致梁的下翼緣在荷載作用下會有較大的受拉變形，同時樓面板與梁的共同作用也降低了上翼緣屈曲的可能性；其次，梁與樓板的共同變形導致下翼緣應力的增大。從焊接的角度看，首先由于焊接工藝要求設置焊接墊板，下翼緣的墊板位于梁截面最大受拉纖維處，所以相對而言上翼緣焊縫處的焊接墊板所處的截面位置具有較小的應力和應變；第二，在上翼緣處施焊的困難比下翼緣處小一些，技術人員則可以更好地控制上翼緣焊接的質量；第三，焊接質量達不到預期目的，離散性較大；第四，大量焊縫集中于小范圍，產(chǎn)生了相當高的約束力；第五，梁下翼緣的焊接施工在腹板所留焊接孔內(nèi)進行，無法一次連續(xù)完成，在翼緣中線留下焊接缺陷；第六，焊接墊板在施焊后留在原處，使柱翼緣、對接焊縫與墊板間形成一條“人工”的K形裂縫，裂縫尖端的應力集中非常嚴重；第七，焊縫自身存在質量缺陷，如裂縫、欠焊、夾渣及氣孔等。第21章軸心受力構件基于這些，在震后進行的研究中，具體方法主要有兩種：一是將梁端連接部位局部加強，但需注意不要因此出現(xiàn)弱柱，有違“強柱弱梁”抗震設計原則；另一種方法是，在離開柱面一定距離處將梁的上、下翼緣局部削弱。

3.新型梁柱剛性連接類型

（1）加強連接型①加蓋板節(jié)點加蓋板節(jié)點是在節(jié)點部位梁的上、下翼緣外表面焊上楔形的鋼板，在現(xiàn)場采用坡口全熔透對接焊縫和角焊縫分別與柱翼緣和梁翼緣連接，使焊縫截面面積不小于單獨翼緣截面面積的1.2倍，蓋板的長度宜取0.3hb且不小于180mm（hb為梁截面高度）。如圖21-14（a）所示。根據(jù)試驗，此類節(jié)點具有較好的塑性轉動能力，多數(shù)試件的塑性轉角大于0.025rad；但也有少數(shù)構件出現(xiàn)脆性斷裂，原因是梁翼緣的有效厚度加大，坡口焊縫因過厚而出現(xiàn)殘余三軸拉應力，以及柱翼緣熱影響區(qū)擴大并嚴重變脆，加大了柱翼緣層狀撕裂的危險性。第21章軸心受力構件圖21-14

新型梁柱剛性連接類型第21章軸心受力構件②加腋節(jié)點加腋節(jié)點是在節(jié)點部位梁的下面加上三角形的梁腋，其目的在于通過加腋增加節(jié)點處截面的有效高度，從而迫使塑性鉸在梁腋區(qū)域外形成，減少梁下翼緣處對接焊縫的應力。梁腋由H型鋼或工字鋼切割而成，梁腋的腹板、翼緣分別通過角焊縫、對接焊縫與梁柱焊接，如圖21-14（b）所示。

（2）梁翼緣削弱型①狗骨式梁柱剛性連接狗骨式梁柱剛性連接節(jié)點是在靠近柱邊的等截面鋼梁上，將上、下翼緣沿梁的縱向對稱于腹板進行圓弧切割，其翼緣的切除寬度約為40%；梁腹板與柱翼緣之間用角焊縫代替通常的螺栓連接；上、下翼緣的全熔透坡口焊縫要用引弧板；下翼緣焊接襯板要割除，割除后，焊根用焊縫補焊；上翼緣襯板焊后保留，用焊縫封閉；柱翼緣加勁板與梁翼緣等厚，等等，如圖21-14（c）所示。對于這類節(jié)點應特別注意削弱處氣割后，應磨平，避免在刻痕處產(chǎn)生應力集中效應，減少梁的塑性變形能力。第21章軸心受力構件②梁翼緣鉆孔削弱梁翼緣的一種更簡單的方法是，在離開柱面一段距離處，在梁的上、下翼緣各鉆兩排圓孔，一種方法是