摘 要 介绍了国外钢梁腹板开孔加劲的方式。提出了开孔后强度计算要求,仅水平加劲时加劲肋外伸的长度要求,未加劲时需要进行的宽厚比要求,以及开孔引起的挠度增量计算公式。 1 问题的引出 按照现行的 JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》和 GB 50017—2017《钢结构设计标准》的规定,钢梁开孔达到一定大小后,需要 16 块板来对孔边进行加强(图 1),这让钢结构制造厂痛苦不堪。
摘 要
介绍了国外钢梁腹板开孔加劲的方式。提出了开孔后强度计算要求,仅水平加劲时加劲肋外伸的长度要求,未加劲时需要进行的宽厚比要求,以及开孔引起的挠度增量计算公式。
1 问题的引出
按照现行的 JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》和 GB 50017—2017《钢结构设计标准》的规定,钢梁开孔达到一定大小后,需要 16 块板来对孔边进行加强(图 1),这让钢结构制造厂痛苦不堪。
图 1 孔口 16 块板加强
查阅资料发现,如图 2 所示的开了大孔却未加劲和仅水平加劲的梁的做法,对我们启发很大。
图 2 开了大孔却未加劲的或仅水平加劲的钢梁
图 3 是试验研究的照片。可见:大孔未加劲的两侧孔边没有任何变形的迹象,这明显提示是孔边无须竖向加劲肋的。
图 3 开大孔的钢梁试验(孔边无变形)
2 开孔后的强度
开孔后的梁段变为空腹桁架段,这时需要计算抗弯和抗剪强度的部位是如图 4 所示的 A,B,C,D四个角部截面。
图 4 需要计算强度的部位
将孔中间截面的弯矩转化成上下弦的轴力,或者仍然以平截面假定计算上下边缘的正应力,则孔中间截面的剪力,由上下弦各承担一半。于是A,B,C,D截面承受了轴力、弯矩和剪力,可按压弯杆计算强度。
设置加劲肋的目的之一是:补偿在钢梁的高剪力区段(剪力达到梁最大剪力的 50% 以上的区段)开孔时 A,B,C,D 四个角部截面的强度。算例计算表明,设置水平加劲肋可以大幅度改善 4 个角部截面的强度,而竖向加劲肋对强度没有帮助。
3 开孔后孔边腹板的局部稳定
开孔后孔周围的应力状态改变极大。在高剪力区开一个高度为梁高一半的方孔的算例表明,在高剪力区,腹板局部屈曲因子下降了一半。由此可以判断,如果腹板宽厚比本身刚刚满足相关规范要求,则高度为梁高一半的方孔需要设置水平加劲肋。
相关文献通过算例分析发现,只要设置水平加劲肋,也能够大幅度提高局部屈曲的屈曲因子。图4 给出了水平加劲肋的延伸要求: 1) 记 a 是单侧加劲肋的宽度,加劲肋向两侧延伸 2.5 a ,是为了确保在孔边处加劲肋完全参与空腹桁架工作; 2) 不小于孔高 h 0 ,是为了尽快把弯曲应力引向加劲肋,减小两水平加劲肋之间的腹板区块的应力水平; 3) 腹板这一区块的剪应力的减小缓慢,两水平加劲肋为这一腹板区块提供了上下的边界条件,提高了这一区块的抗剪稳定性; 4) 加劲肋向孔两侧延伸越长,越利于角部区域的稳定。
4 未加劲孔的宽厚比限值
未加劲孔时上下弦 T 形截面腹板(图 5)应满足如下的宽厚比要求:
1) 高剪力区或受压翼缘有楼板阻止扭转:
其中
式中: h wT 为腹板开孔后,孔上或孔下剩余腹板的高度; t w 为腹板厚度; L 0 为孔长; f y 为钢材屈服强度。
2) 低剪力区受压翼缘能够发生扭转:
图 5 未加劲时开孔截面剩余腹板宽厚比限值
5 未加劲孔的宽厚比限值
跨度为 4.9 m 的 H376 × 200 × 8 × 16 承受92.6 N/mm 的均布荷载,开孔截面分别为 180 mm×700 mm 和 180 mm×350 mm,孔边离开支座 700 mm,计算得到挠度及其开孔后相对于未开孔梁的挠度如图 6 所示。可见:孔长小于孔高的 2 倍时,挠度增量不大;方孔以及水平加劲孔的挠度增量更小;开孔在跨中的无剪力区时,挠度增量更小。
图 6 开孔梁的挠度及其开孔带来的挠度增量
记 w 0 是开孔段剩余的上下弦按照两端固定梁计算它们的弯剪挠度增量。由图 6 可见,挠度增量在未开孔段时是直线,开孔段时是 S 形曲线,简化为三折线如图 7 所示。根据图 7,跨中挠度增量可以采用式(3)计算:
式中: L 为梁的跨度。式(3)与未开孔梁的跨中挠度迭加后,进行开孔梁的挠度验算。
图 7 开孔带来的挠度增量简图
6 结束语
介绍了钢梁腹板开孔后仅采用水平加劲肋的孔边加劲要求,未加劲孔的腹板宽厚比验算和开孔后挠度增量及其计算方法。
来源
童根树. 钢梁开孔后孔边加劲肋的简化[J]. 钢结构(中英文), 2023, 38(5): 43-45.
