钢标6.4节焊接截面梁腹板屈曲后强度设计详解及公式解析
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- 2025-03-18
- 钢结构资料库
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问题 2:“钢标”推荐在静力荷载或间接动力荷载作用下的焊接截面梁按照 6.4 节“焊接截面梁腹板考虑屈曲后强度的计算”来进行设计。然而,并非所有的梁腹板都会出现局部屈曲,为何都要让其考虑腹板屈曲后强度呢?
“钢标”的 6.3.1 条有规定,对于承受静力荷载以及间接承受动力荷载的焊接截面梁,是可以考虑腹板屈曲后强度的。并且要按照第 6.4 节的规定来计算其受弯和受剪承载力。在条文说明中,还强烈地进行了推荐,具体条文内容如下:
腹板仅配置支承加劲肋,并且在较大荷载处还有中间横向加劲肋,同时要考虑屈曲后强度的工字形焊接截面梁,应按照下列公式来验算受弯承载能力和受剪承载能力。
仔细看看公式(6.4.1 - 1),就会发现这其实是一个受弯和受剪承载力的相关公式。具体情况如下:当弯矩不超过 Mf 时,受剪承载力保持不变,为 Vu;当剪力不超过 0.5Vu 时,受弯承载力保持不变,为 Meu。若弯矩或剪力超过上述范围,那么受弯和受剪承载力就呈现曲线 AB 的相关关系。
6.4.1 条中所谓的“考虑腹板屈曲后强度的计算”,其具体体现于 Meu 的计算以及 Vu 的计算上。
受弯承载力 Meu 的计算依据公式(6.4.1-3)。计算腹板受弯时的有效截面需根据受弯正则化宽厚比来进行:当正则化宽厚比在 0.85 以下时钢结构设计规范全,全截面有效;而当正则化宽厚比超过 0.85 时,则需计算腹板受压区的有效截面高度。这个全截面是否有效的界限,与局部稳定计算时的公式(6.3.3-3)相同。
受剪承载力 Vu 依据公式(6.4.1 - 8)至(6.4.1 - 10),并根据受剪正则化宽厚比来进行计算。当正则化宽厚比小于 0.8 时,能够达到抗剪强度设计值 fv;而当正则化宽厚比超过 0.8 时,需按照正则化宽厚比来计算受剪承载力(此承载力相当于按屈曲后的抗剪临界应力),其界限值与受剪局部稳定计算时的公式(6.3.3 - 8)相同。另外,条文说明中提到,精确计算拉力场是很困难的。基于此,参考欧洲规范,“钢标”采用了一个简化计算公式,这个公式相当于下限。
受剪屈曲形成了拉力场,拉力场进而导致受剪承载力继续提高,这样的事情被“简化”了。考虑和不考虑屈曲后强度的差异有多大呢?只需将公式(6.4.1-8)~(6.4.1-10)与受剪屈曲临界应力公式(6.3.3-8)~(6.3.3-10)进行比较即可知晓。具体的比较情况如下图所示,横坐标为受剪正则化宽厚比,纵坐标为受剪临界应力与抗剪强度设计值的比。顺便问一下,是否考虑屈曲后强度呢?受剪承载力真的会提高很多吗?你真的需要所谓的屈曲后强度所带来的受剪承载力提高吗?你真的遇到过钢梁受剪承载力不够的情况吗?
这儿要特别说明,实际上很多人在脑海中印象深刻的所谓“屈曲后强度”,指的是受剪屈曲形成拉力场,进而使受剪承载力持续提高这一情况。然而,“钢标”所说的屈曲后强度并非如此狭义,它还包含受弯屈曲,并且会按有效截面来计算受弯承载力(此时承载力降低了)。
说到这儿,大家应该能明白了。所谓的“焊接截面梁腹板考虑屈曲后强度”的计算方法,实际上这种说法不太贴切,并且还引起了不少对规范理解方面的误导。
6.4.1 条称是对考虑腹板屈曲后强度的计算,实际上将腹板根本不屈曲的情形也包含在内了,像受弯正则化宽厚比小于 0.85 以及受剪正则化宽厚比小于 0.8 的情况,从而形成了一个“大一统”的相关公式。
因为把不屈曲的情况包含在内了,所以塑性发展系数就被带进来了。如果说的都是“屈曲后”的事情,那就不存在塑性发展系数了。
腹板受剪发生局部屈曲时,公式将受剪屈曲后形成拉力场的情况以及不形成拉力场的情况都涵盖在内了。条文规定,在进行受剪正则化宽厚比计算时,若仅设置支座加劲肋(即不存在中间的横向加劲肋),那么 h0/a 取 0。显然,若不按一定间距设置中间的横向加劲肋,就根本无法形成拉力场。因为横向加劲肋是拉力场的区格边缘,其作用相当于桁架的直腹杆。
所以,不要一提腹板受剪屈曲,就立刻联想到拉力场,接着立刻联想到设置横向加劲肋。6.4.2 条的第 4 款规定,“考虑腹板屈曲后强度的梁,腹板高厚比不应大于 250,可根据构造需求设置中间横向加劲肋”,实际上说的就是这个意思。倘若你根本不需要拉力场来提升屈曲后受剪承载力,那么你也就无需再配置中间的横向加劲肋了。
腹板受弯的屈曲后承载力,6.4.1 条规定要依据有效截面的概念来进行计算。同时,6.1.1 条规定,当腹板为 S5 级截面时,也需要按有效截面进行计算,并且要按照“钢标”8.4.2 条(压弯构件)的规定来执行。
8.4.2 条专门针对压弯构件腹板局部屈曲给出了有效截面计算公式钢结构设计规范全,并且这个公式覆盖了纯弯的情况。那么同一本“钢标”在 6.4.1 条再给出一个纯弯的公式就没有必要了。而且二者的计算结果还有一定的差异。再者,若认为 6.4.1 条是老规范延续下来的。从第 6 章受弯构件计算的角度来看,你不参考同一章的有效截面计算,却要跑到很远的第 8 章去,这是舍近求远。那又何必呢?如果能协调处理一下,该会有多简洁啊?
另外,“钢标”单独给出了截面等级表。在这个表中,S4 级截面并非严格按照受弯的正则化宽厚比限值 0.85 来进行界定。这就导致了有些截面的宽厚比满足 S4 级的要求,但按照 6.4.1 却不是受弯全截面有效,并且与 8.4.2 的全截面有效的限值也存在一定的差异。
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