第21章-受彎構(gòu)件-梁

第21章受彎構(gòu)件——梁第21章受彎構(gòu)件——梁

受彎構(gòu)件是指主要承受橫向荷載作用的構(gòu)件。鋼結(jié)構(gòu)中最常用的受彎構(gòu)件就是鋼梁。它是組成鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件之一，鋼梁多指用型鋼或鋼板制造的實(shí)腹式構(gòu)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(gòu)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(duì)稱截面，受力性能好，應(yīng)用廣泛。槽鋼截面剪力中心在腹板外彎曲時(shí)比較理想，并且在構(gòu)造上便于處理。型鋼梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)的情況。當(dāng)荷載及跨度較大時(shí)，現(xiàn)有的型鋼規(guī)格往往不能滿足要求，應(yīng)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(gòu)造簡(jiǎn)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(dāng)荷載或跨度較大且梁高又受限制或抗扭要求較高時(shí)，可采用雙腹板式的箱形截面，如圖21-1(e)所示，但其制造費(fèi)工，施焊不易，且較費(fèi)鋼。鋼梁的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定四個(gè)方面的要求。（21-1）21.1梁的強(qiáng)度和剛度第21章受彎構(gòu)件——梁21.1.1

（21-1）21-1第21章受彎構(gòu)件——梁表21-1表21-1續(xù)第21章受彎構(gòu)件——梁21.1.2梁的強(qiáng)度

對(duì)于鋼梁要保證強(qiáng)度安全，就應(yīng)要求在設(shè)計(jì)荷載作用下梁的正壓力、剪應(yīng)力及局部壓應(yīng)力不超過(guò)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)于梁內(nèi)有正應(yīng)力、剪應(yīng)力及局部壓應(yīng)力共同作用處，還應(yīng)驗(yàn)算其折算應(yīng)力。

1.抗彎強(qiáng)度梁在彎矩作用下，截面上正應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)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(yīng)力分布第21章受彎構(gòu)件——梁第21章受彎構(gòu)件——梁第21章受彎構(gòu)件——梁第21章受彎構(gòu)件——梁

2.抗剪強(qiáng)度梁的抗剪強(qiáng)度按彈性設(shè)計(jì)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》以截面的最大剪應(yīng)力達(dá)到鋼材的抗剪屈服強(qiáng)度作為抗剪承載能力的極限狀態(tài)。由此對(duì)于繞強(qiáng)軸（x軸）受彎的梁，剪應(yīng)力分布如圖21-2（f）所示。第21章受彎構(gòu)件——梁

3.腹板局部壓應(yīng)力

當(dāng)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(shè)支撐加勁肋，如圖21-3（b）所示，或承受移動(dòng)集中荷載（如吊車輪壓，圖21-3（a））作用時(shí)，為保證這部分腹板不致受壓破壞，必須對(duì)集中荷載引起的腹板局部橫向壓力進(jìn)行計(jì)算。在集中荷載作用下，腹板在計(jì)算高度邊緣處的局部壓應(yīng)力分布如圖21-3(a)所示，計(jì)算時(shí)通常假定集中荷載從作用點(diǎn)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(kuò)散，并均勻分布于腹板的計(jì)算高度邊緣。圖21-3梁腹板局部壓應(yīng)力第21章受彎構(gòu)件——梁

4.折算應(yīng)力在組合梁的腹板計(jì)算高度邊緣處若同時(shí)受有較大的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力，或同時(shí)受有較大的正應(yīng)力和剪應(yīng)力（如連續(xù)梁支座處或梁的翼緣截面改變處等）時(shí)，應(yīng)按復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算其折算應(yīng)力。例如，如圖18-4所示對(duì)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(shí)還有集中荷載引起的局部橫向壓應(yīng)力，這時(shí)梁截面腹板（計(jì)算高度）邊緣A點(diǎn)處，同時(shí)有正應(yīng)力σ、剪應(yīng)力τ及橫向壓應(yīng)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的撓度。如平臺(tái)撓度過(guò)大，會(huì)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(guò)大，可能使吊車不能正常運(yùn)行，因此對(duì)梁的最大撓度或相對(duì)撓度v/l應(yīng)加以限制，即第21章受彎構(gòu)件——梁第21章受彎構(gòu)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(gòu)件，為了有效地利用材料，梁截面常設(shè)計(jì)成窄而高且壁厚較薄的開(kāi)口截面，以提高梁的承載能力和剛度，但其抗扭和側(cè)向抗彎能力則較差。當(dāng)梁在最大剛度平面內(nèi)受彎時(shí)，若彎矩Mx較小，則梁僅在彎矩作用平面內(nèi)彎曲，無(wú)側(cè)向干擾力作用下，會(huì)突然向剛度較小的側(cè)向彎曲，并伴隨扭轉(zhuǎn)。此時(shí)即使除去側(cè)向干擾力，側(cè)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)。現(xiàn)以工字形截面梁為例對(duì)梁的整體穩(wěn)定概念進(jìn)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(gòu)件——梁

當(dāng)壓應(yīng)力增加到一定數(shù)值時(shí)，受壓翼緣將沿其側(cè)向壓曲，并帶動(dòng)梁整個(gè)截面一起側(cè)向位移，即整體失穩(wěn)。梁失穩(wěn)時(shí)表現(xiàn)為不同程度（受壓翼緣大，受拉翼緣?。﹤?cè)向變形的彎扭屈曲，因此梁?jiǎn)适дw穩(wěn)定，又稱為梁發(fā)生側(cè)向彎曲扭轉(zhuǎn)屈曲。圖21-5梁?jiǎn)适дw穩(wěn)定的情況第21章受彎構(gòu)件——梁第21章受彎構(gòu)件——梁21.2.2保證梁整體穩(wěn)定性的措施第21章受彎構(gòu)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(zhǎng)或拼大，這種拼接在工廠中進(jìn)行時(shí)，稱為工廠拼接。由于運(yùn)輸或安裝條件限制，梁需分段制作和運(yùn)輸，然后在現(xiàn)場(chǎng)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(duì)接焊縫拼接，并用引弧板。對(duì)于一級(jí)、二級(jí)質(zhì)量檢驗(yàn)級(jí)別的焊縫不需要進(jìn)行焊縫驗(yàn)算。但當(dāng)采用三級(jí)焊縫時(shí)，因焊接抗拉強(qiáng)度低于鋼材的強(qiáng)度，故可采用斜焊縫或?qū)⑵唇游恢貌贾迷趹?yīng)力較小的區(qū)域。第21章受彎構(gòu)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(yùn)輸及安裝條件確定。但最好布置在彎矩較小處，一般應(yīng)使翼緣和腹板在同一截面和接近于同一處斷開(kāi)，以便于分段運(yùn)輸。當(dāng)在同一截面斷開(kāi)時(shí)（圖21-8（a）），端部平齊，運(yùn)輸時(shí)不易碰損，但同一截面拼接會(huì)導(dǎo)致薄弱位置集中。為提高焊接質(zhì)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(yīng)力，靠近拼接處的翼緣板要預(yù)留出500mm長(zhǎng)度在工廠不焊，在工地焊接時(shí)再按照?qǐng)D21-8（a）所示序號(hào)施焊。第21章受彎構(gòu)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(cuò)開(kāi)的拼接方式，這種拼接受力較好，但端部突出部分在運(yùn)輸中易碰損，應(yīng)注意保護(hù)。圖21-9梁的高強(qiáng)度螺栓工地拼接對(duì)于需要在高空拼接的梁，常常考慮高空焊接操作困難，采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接。對(duì)于較重要的或受動(dòng)力荷載作用的大型組合梁，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施焊條件較差，焊縫質(zhì)量難以保證，工地拼接時(shí)也可采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接。這時(shí)梁的腹板和翼緣在同一截面斷開(kāi)，吊裝就位后用拼接板和螺栓連接，如圖21-9所示。設(shè)計(jì)時(shí)取拼接處的剪力全部由腹板承擔(dān)，彎矩則由腹板和翼緣共同承擔(dān)，并根據(jù)各自剛度按比例分配。第21章受彎構(gòu)件——梁21.3.2主、次梁的連接第21章受彎構(gòu)件——梁主梁和次梁的連接分為鉸接和剛性連接兩種，鉸接應(yīng)用較多，剛性連接只在次梁設(shè)計(jì)成連續(xù)梁時(shí)采用。

1.鉸接主、次梁鉸接時(shí)，連接主要傳遞次梁反力，通常有疊接和側(cè)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(cè)面的連接圖21-10簡(jiǎn)支次梁與主梁疊接1—次梁；2—主梁圖21-11簡(jiǎn)支次梁與主梁側(cè)面連接1—次梁；2—主梁第21章受彎構(gòu)件——梁

2.剛性連接剛性連接也可采用疊接和側(cè)面連接。疊接可使次梁在主梁上連接貫通，施工較簡(jiǎn)便，缺點(diǎn)也是結(jié)構(gòu)高度較大。圖21-12連續(xù)次梁與主梁連接的安裝過(guò)程1—主梁；2—承托豎板；3—承托頂板；4—次梁；5—連接蓋板側(cè)面連接的構(gòu)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(fù)彎矩則由上、下翼緣承受，用在上翼緣設(shè)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(gòu)造焊縫。連接構(gòu)造設(shè)計(jì)形式多樣，要根據(jù)具體情況用不同的構(gòu)造方法，計(jì)算時(shí)首先要明確力的傳遞過(guò)程和每一部分在傳力中的作用，由此確定計(jì)算方法，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。第21章軸心受力構(gòu)件21.4梁柱連接形式和構(gòu)造

一般來(lái)說(shuō)，從受力性能上來(lái)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(guó)，鋼框架梁柱連接只限于剛性連接和鉸接兩種，對(duì)于半剛性連接目前有關(guān)設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中還沒(méi)有涉及。而在其他一些國(guó)家，如美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)（AISC）規(guī)定，允許設(shè)計(jì)者在鋼框架設(shè)計(jì)中明確地考慮連接特性。美國(guó)容許應(yīng)力設(shè)計(jì)（ASD）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)列出了三種類型的構(gòu)造：

（1）類型１或剛性連接。（2）類型２或簡(jiǎn)支連接。（3）類型3或半剛性連接。荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)（LRTD）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在其條文中指出了兩種類型的構(gòu)造：FR（全約束）型和PR（部分約束）型。FR型相當(dāng)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(shè)計(jì)中必須考慮連接柔性的影響。第21章軸心受力構(gòu)件21.4.1半剛性連接類型

半剛性連接主要通過(guò)摩擦型高強(qiáng)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(gè)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(yàn)證明，這類連接能夠承受的彎矩可達(dá)梁在工作荷載下的全固端彎矩的29%，對(duì)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(gè)長(zhǎng)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(zhuǎn)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(gè)典型的頂?shù)捉卿撨B接。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，這類連接可以抵抗一些梁端彎矩。第21章軸心受力構(gòu)件圖21-13

各種半剛性連接類型第21章軸心受力構(gòu)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(gè)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(dāng)連接要求抗彎時(shí)，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(gè)翼緣及腹板焊接，然后在現(xiàn)場(chǎng)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(dāng)結(jié)構(gòu)承受交變荷載時(shí)，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(shè)斜向加勁肋。

6.短T型鋼連接由設(shè)在梁上、下翼緣處的兩個(gè)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(rèn)為是最剛勁的半剛性連接之一，當(dāng)與雙腹板角鋼連接一起使用時(shí)，尤其剛勁。第21章軸心受力構(gòu)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(dá)到理想鉸接的80%的連接，就屬于鉸接，因此連接彎矩-轉(zhuǎn)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(shí)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(jié)構(gòu)的梁柱連接多按剛性連接設(shè)計(jì)。梁柱剛性連接的主要構(gòu)造形式有以下三種：①全焊節(jié)點(diǎn)，即梁的上、下翼緣用全熔透坡口對(duì)接焊縫，腹板用角焊縫與柱翼緣連接；②全栓接節(jié)點(diǎn)，梁的翼緣和腹板通過(guò)T形連接件使用高強(qiáng)度螺栓與柱翼緣連接；③栓焊混合節(jié)點(diǎn)，即梁的上、下翼緣通過(guò)全熔透坡口對(duì)接焊縫與柱翼緣連接，梁腹板使用高強(qiáng)度螺栓與預(yù)先焊在柱翼緣上的剪切板連接。第21章軸心受力構(gòu)件

2.剛性連接存在的問(wèn)題鋼框架梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)的破壞形式可歸納為：梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)在地震中的破壞集中在節(jié)點(diǎn)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(lái)解釋：從梁的角度來(lái)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(dǎo)致梁的下翼緣在荷載作用下會(huì)有較大的受拉變形，同時(shí)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(dǎo)致下翼緣應(yīng)力的增大。從焊接的角度看，首先由于焊接工藝要求設(shè)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(duì)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(yīng)力和應(yīng)變；第二，在上翼緣處施焊的困難比下翼緣處小一些，技術(shù)人員則可以更好地控制上翼緣焊接的質(zhì)量；第三，焊接質(zhì)量達(dá)不到預(yù)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(dāng)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(jìn)行，無(wú)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(duì)接焊縫與墊板間形成一條“人工”的K形裂縫，裂縫尖端的應(yīng)力集中非常嚴(yán)重；第七，焊縫自身存在質(zhì)量缺陷，如裂縫、欠焊、夾渣及氣孔等。第21章軸心受力構(gòu)件基于這些，在震后進(jìn)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(qiáng)，但需注意不要因此出現(xiàn)弱柱，有違“強(qiáng)柱弱梁”抗震設(shè)計(jì)原則；另一種方法是，在離開(kāi)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(qiáng)連接型①加蓋板節(jié)點(diǎn)加蓋板節(jié)點(diǎn)是在節(jié)點(diǎn)部位梁的上、下翼緣外表面焊上楔形的鋼板，在現(xiàn)場(chǎng)采用坡口全熔透對(duì)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(dú)翼緣截面面積的1.2倍，蓋板的長(zhǎng)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(yàn)，此類節(jié)點(diǎn)具有較好的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力，多數(shù)試件的塑性轉(zhuǎn)角大于0.025rad；但也有少數(shù)構(gòu)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(guò)厚而出現(xiàn)殘余三軸拉應(yīng)力，以及柱翼緣熱影響區(qū)擴(kuò)大并嚴(yán)重變脆，加大了柱翼緣層狀撕裂的危險(xiǎn)性。第21章軸心受力構(gòu)件圖21-14

新型梁柱剛性連接類型第21章軸心受力構(gòu)件②加腋節(jié)點(diǎn)加腋節(jié)點(diǎn)是在節(jié)點(diǎn)部位梁的下面加上三角形的梁腋，其目的在于通過(guò)加腋增加節(jié)點(diǎn)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(duì)接焊縫的應(yīng)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(guò)角焊縫、對(duì)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(diǎn)是在靠近柱邊的等截面鋼梁上，將上、下翼緣沿梁的縱向?qū)ΨQ于腹板進(jìn)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(bǔ)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(duì)于這類節(jié)點(diǎn)應(yīng)特別注意削弱處氣割后，應(yīng)磨平，避免在刻痕處產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng)，減少梁的塑性變形能力。第21章軸心受力構(gòu)件②梁翼緣鉆孔削弱梁翼緣的一種更簡(jiǎn)單的方法是，在離開(kāi)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