钢梁在钢结构中的应用

轻钢建筑在一些发达国家已被广泛应用于工厂、仓库、体育馆、展览馆、超市等建筑，而钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，尤其是超高层、超大跨度，采用钢结构更是非常理想。钢结构体系有着巨大的发展潜力和理想的发展前景，钢梁作为钢结构中的重要受力构件，其力学性能必将在今后的发展中更加完善、合理。

1钢结构的应用

世界上已经建成的几个纯钢结构建筑为目前世界上最高的超高层建筑，如美国纽约帝国大厦，美国纽约世界贸易中心，美国芝加哥西尔斯大厦，马来西亚双塔石油大厦等。巨型钢结构为高层或超高层建筑的一种崭新体系[1]，它是为了满足特殊功能或综合功能而产生的。它具有良好的建筑适应性和潜在的高效结构性能，是一种很有发展前景的钢结构。

大跨度或较大跨度大多采用钢结构，大跨度钢结构多用于多功能体育场馆、会议展览中心、博览馆、候机厅、飞机库等。最早的大跨度平板网架是上世纪60年代美国洛衫矶加里福尼亚大学体育馆。世界上跨度最大的斜拉索桥为日本的多多罗大桥，最大的悬索桥为日本的名石大桥，公路铁路两用最大跨度桥为香港的青马大桥。世界最早的双曲抛物面悬索屋盖是美国雷里竞技馆。另外，历届奥运会、博览会等都可以显示钢结构的发展水平。

2钢梁的力学特性

钢梁在其对称轴平面内的横向荷载作用下，一般只在该平面内产生弯矩、剪力和挠度。但是，由于钢梁的截面通常为高而窄的工字形或槽形，侧向抗弯刚度和抗扭刚度较小，还可能发生侧向弯曲扭转屈曲而丧失整体稳定[2]。对于组合梁而言，当腹板或翼缘相对较薄时，还可能在受压区发生局部失稳而破坏。因此，设计钢梁时须全面考虑并分别验算其弯应力与剪应力强度、挠度、整体稳定和局部稳定。

在竖向荷载作用下，钢梁一般只产生竖向位移，但对侧向刚度较差的工字形截面或槽形截面钢梁，当梁的自由长度较大时，荷载加大到一定程度，常会迅速产生较大的侧向位移和扭转变形，使梁随即丧失承载能力的现象称为丧失整体稳定或侧扭屈曲。根据试验，一般低碳钢和低合金钢试件在受弯时，如同简单拉伸试验一样，也存在着屈服强度和屈服台阶，可视作理想的弹性塑性体。而且在超过弹性范围受弯时仍符合弯曲构件应变的平面假定。因此，在静力荷载作用下，钢梁的弯曲大致可划分为三个应力阶段。

钢梁的强度包括抵抗弯曲、剪切以及竖向局部承压的能力。抗弯能力可由材料力学中的弯曲应力公式求得。当按塑性设计时，考虑梁上形成塑性铰及由此引起的内力重分布。采用塑性设计的钢梁，与按弹性阶段设计的梁相比较，可减小截面尺寸，节省钢材，但一般只适用于受静力荷载的热轧型钢梁和等截面焊接组合梁，同时组合梁板件的宽厚比应有较严格的限制，以免板件局部失稳而降低梁的承载能力。当按弹性阶段设计时，取计算截面的边缘纤维应力达到钢材的屈服点作为极限状态。边缘纤维应力达到屈服点后，梁实际上还可继续承受荷载。随着荷载的继续加大，最大弯矩所在截面上的塑性变形沿截面从边缘向中央不断发展和扩大，最后在该截面处形成塑性铰。梁上出现使梁成为可动机构的一定数量的塑性铰后，梁即到达抗弯的极限状态而破坏。钢梁的抗剪能力，也可按材料力学中的有关公式计算。为了简化，通常假定剪力完全由腹板的计算截面平均承受。型钢的腹板较厚，抗剪强度一般都能满足设计要求。当梁的抗弯强度按塑性阶段设计时，剪力的存在会加速塑性铰的形成；因此，对最大弯矩截面上的剪应力，应有比较严格的限制。

钢梁上承受固定集中荷载处，当荷载作用在翼缘上时，该处翼缘与腹板交界部位的腹板水平截面，应具有足够的抗竖向局部压力的能力。承受竖向局部压力的腹板水平截面的面积，为该竖向压力在所验算水平截面上的假定分布长度与腹板厚度的乘积，并假定竖向压应力在该水平截面上为均匀分布。若计算截面的抗竖向局部承压能力不足，可放大支承竖向荷载垫板的长度，或在该处设置腹板的加劲肋。