鋼結構桁架節(jié)點圖集（工字型鋼梁優(yōu)化設計案例）

鋼結構桁架節(jié)點圖集（工字型鋼梁優(yōu)化設計案例）是一本專注于工字型鋼梁在桁架結構中應用與優(yōu)化設計的圖集。本書詳細展示了如何通過精確計算和設計來確保工字型鋼梁的強度、穩(wěn)定性和耐久性，同時考慮到成本效益和施工便捷性。書中包含了豐富的實例，展示了不同工況下的節(jié)點設計和分析，以及如何通過調整連接方式、支撐系統(tǒng)等來優(yōu)化桁架結構的性能。還介紹了現代鋼結構設計軟件的應用，為工程師提供了實用的工具和指導。

工字型鋼梁截面設計

一、設計要點

梁的截面高度
- 要考慮建筑高度、剛度和經濟三個方面的要求。確定了建筑高度也就確定了梁的最大高度；剛度要求確定了梁的最小高度，剛度條件要求梁在全部荷載標準值作用下的撓度 $v$ 不大于容許撓度；還有梁的經濟高度，即梁用鋼量最少的高度。梁的腹板高度可稍小于梁的高度，一般取腹板高度為50mm。
腹板厚度
- 腹板厚度應滿足抗剪強度的要求。初選截面時，可近似的假定最大剪應力為腹板平均剪應力的1.2倍，根據腹板的抗剪強度計算公式確定的值往往偏小。為了考慮局部穩(wěn)定和構造等因素，腹板厚度一般用下列經驗公式進行估算（公式中的單位均為 $mm$ ）。實際采用的腹板厚度應考慮鋼板的現有規(guī)格，一般為 $2mm$ 的倍數。對于非吊車梁，腹板厚度取值宜比計算值略?。粚紤]腹板屈曲后強度的梁，腹板厚度可更小，但腹板高厚比不宜超過250。
翼緣尺寸
- 已知腹板尺寸，可求得需要的翼緣截面積。每個翼緣的面積近似取 $A_f$ ，則翼緣面積為 $A_f$ ，翼緣板的寬度通常為 $b =(1/6～l/2.5)h$ （ $h$ 為梁高），厚度 $t = A_f/b$ 。翼緣板常用單層板做成，當厚度過大時，可采用雙層板。確定翼緣板的尺寸時，應注意滿足局部穩(wěn)定要求，使受壓翼緣的外伸寬度 $b$ 與其厚度 $t$ 之比 $b/t\leq15$ （彈性設計）或 $b/t\leq13$ （考慮塑性發(fā)展）。選擇翼緣尺寸時，同樣應符合鋼板規(guī)格，寬度取 $10mm$ 的倍數，厚度取 $2mm$ 的倍數。

二、截面驗算分析

彎曲強度
- 彈性工作階段：當彎矩 $M$ 較小時，截面上的彎曲應力呈三角形直線分布，其外緣纖維最大應力為 $\sigma = M/W_n$ 。這個階段可以持續(xù)到 $\sigma$ 到屈服點 $f_y$ ，此時梁截面的彎矩達到彈性極限彎矩 $M_e$ 。隨著彎矩增大，塑性區(qū)逐漸向截面中央擴展，中央彈性區(qū)相應逐漸減小。塑性工作階段：在塑性工作階段，若彎矩不斷增大，直到彈性區(qū)消失，截面全部進入塑性狀態(tài)，即達到塑性工作階段，此時梁截面應力呈兩個矩形分布彎矩達到最大極限，稱為塑性彎矩 $M_p$ 。
彎曲剪應力計算
- 根據材料力學開口截面的剪應力計算公式，梁的抗剪強度或剪應力按下式計算： $\tau=\frac{V_yS_x}{I_xt}$ ，式中 $V_y$ 為計算截面沿腹板平面作用的剪力； $S_x$ 為計算剪應力處以上或以下毛截面對中和軸的面積矩； $I_x$ 為毛截面慣性矩； $t$ 為計算點處板件的厚度； $f_v$ 為鋼材抗剪設計強度。
局部壓應力
- 當梁上有集中荷載（如吊車輪壓、次梁傳來的集中力、支座反力等）作用時，集中荷載由翼緣傳至腹板，且該荷載處又未設置支承加勁肋時，腹板邊緣存在沿高度方向的局部壓應力。
折算應力
- 《規(guī)范》規(guī)定，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 $s$ 、剪應力 $t$ 和局部壓應力 $s_c$ ，應對這些部位進行驗算。當 $s$ 和 $s_c$ 比同號時要提早進入屈服，而此時塑性變形能力高，危險性相對較小故取 $b_1 = 1.2$ 。

三、優(yōu)化設計

判別強度控制和剛度控制的臨界跨高比：在雙軸對稱鋼梁截面設計中存在判別強度控制和剛度控制的臨界跨高比的概念。并且推導了組合雙軸對稱工字形鋼梁在不同腹板高厚比下的腹板高度與截面模量、截面慣性矩的關系式，基于此可以進行組合雙軸對稱工字形鋼梁截面的優(yōu)化設計。按照優(yōu)化設計步驟進行設計，算例結果表明該優(yōu)化步驟是快速與準確的，優(yōu)化效果明顯，可方便地應用于組合雙軸對稱工字形鋼梁截面的設計。