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1、2009,19(3)王雪飞等钢梁抗扭设计方法探讨43钢梁抗扭设计方法探讨＊王雪飞王铁红中石油东北炼化工程有限公司吉林设计院吉林132002摘要针对钢梁扭转受力特点,应用概念设计和计算分析解决钢梁的抗扭设计问题,归纳总结钢梁抗扭概念设计的处理方法,并提出弯、剪、扭共同作用下钢梁的强度计算方法。关键词钢梁抗扭设计抗扭概念设计抗扭强度计算方法在钢结构中,钢梁一般采用工字钢,H钢或梁。L-2端部的弯矩M使L-1的受扭,承受与槽钢等。它们都属于开口薄壁截面,与抗弯和抗M值大小相同的扭矩T。剪承载力相比,其抗扭承载力小很多。因此,受1.1.1钢框架平台调整结构布置(方案一)扭钢梁
2、的截面尺寸往往由抗扭承载力控制。本文可以在L-1梁的内侧增加一根钢梁L-3,从概念设计和截面强度计算两方面讨论钢梁的抗见图2。扭设计问题。1钢梁的抗扭概念设计方法钢梁抗扭的概念设计通过结构和力学概念,选择抗扭有利的结构方案:①在结构空间允许的情况下,通过调整结构布置,改变钢梁的传力途径,将扭矩转换成弯矩或剪力,避免钢梁直接受扭;②在满足结构变形要求的情况下,通过构件图2钢框架平台平面布置图(方案一)间的变形协调分析,使钢梁经初始微小变形内力图中,L-3与L-1间的连接同L-2与L达到平衡。-1的连接一样采用刚接,这样使L-2、L-31.1调整结构布置,改变扭矩的传力途
3、径形成了一根单跨外伸梁,L-2端部的弯矩M由当钢梁所受的扭矩来自相邻杆件的杆端弯矩L-3的端支座平衡,主梁L-1不再承受扭矩,时,可以调整相邻杆件的布置化解扭矩。图1是弯矩图见图3。一个典型的化工装置操作钢框架平台,采用H钢梁柱,楼面铺钢格栅板。图3弯矩图图1钢框架平台平面布置图1.1.2钢框架平台调整结构布置(方案二)图中次梁L-2为固定在主梁L-1上的悬臂方案二的结构布置见图4。＊王雪飞:高级工程师,室主任,国家一级注册结构工程师。1992年毕业于吉林建筑工程学院工民建专业。一直从事结构设计和管理工作。联系电话:(0432)3959400。44CHEMICALEN
4、GINEERINGDESIGN化工设计2009,19(3)图4钢框架平台平面布置图(方案二)图中增加了L-4、L-5、L-6,使得L-2两端分别支承在L-1、L-6上,并且改变其端部与L-1、L-6的连接为铰接,这样将L-2由悬臂受力改为简支受力,它对主梁L-1只传递剪力,不再传递弯矩使其受扭。1.1.3管道支架柱调整结构布置管道支架柱支承在钢梁L-1上,支架柱顶承受管道水平荷载,在柱根部形成弯矩,因而对支承钢梁产生扭矩作用,见图5。图6钢梁L-1平面布置及立面简图1.2.1支承设备钢梁受扭化工装置构筑中,一些穿过楼板的立式设备支承在钢梁上,钢梁周围开洞,不允许布置其
5、他钢梁。由于开孔净空的要求,导致设备支耳支承点偏离支承钢梁的中心而对钢梁产生扭矩作用,见图7。图5钢梁L-1受扭平面及立面简图解决方案是将钢梁L-1旋转90°水平布置,这样柱根部弯矩以梁中集中弯矩的形式传递给钢梁L-1,从而避免了钢梁受扭,见图6。1.2变形协调分析,平衡扭矩调整结构布置,改变弯矩传递方式可以避免钢梁受扭,但这种方法有些情况下受周围结构布置限制而无法实现。这种情况下可采用变形协调图7设备支承梁布置图分析方法。这种情况下,虽然偏心矩不是很大,但由于设备的重量往往非常大,即使微小的偏心也可能2009,19(3)王雪飞等钢梁抗扭设计方法探讨45产生很大的扭矩
6、。钢梁在偏心扭矩的作用下,产生转动变形,这个变形使得设备支耳与支承钢梁的上翼缘接触面呈逐渐脱离趋势,荷载作用的中心因而向钢梁的截面中心(即工字钢或H形钢的腹板处)移动,直至荷载作用中心(或作用点)与钢梁的截面中心重合,使扭矩减少为0,图9管架钢梁荷载分布及变形简图转动变形停止,变形过程见图8。当满足式(2)的条件,钢梁的扭矩经微小的变形协调后被平衡,实际不受扭。当不满足该条件,钢梁实际扭矩为:T=Fh/2-Pb/2(3)2钢梁抗扭强度计算方法现行国家规范《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中没有规定钢梁的抗扭计算方法,图8设备支承梁荷载分布简图但规定了钢材的
7、抗压/拉强度和抗剪强度。当钢图中,P为荷载的合力,e为合力中心至截梁受扭时,由于约束扭转效应截面产生正应力和面中心的偏心矩。初始扭矩实际上经钢梁微小的剪应力,可以将扭转产生的正应力和剪应力分别转动变形后,随着荷载作用中心的变化而消失。与弯曲正应力和剪切剪应力组合得到截面上的某但这种情况有一个前提:设备支座(支耳)的点最大正应力和剪应力验算其抗拉/压和抗剪强支承长度必须伸过构件的截面中心,否则,荷载度。作用中心不可能与钢梁的截面中心重合,随着钢2.1弯、剪、扭共同作用下的截面应力计算梁的转动变形只会减小而不会完全抵消偏心扭工字钢、H型钢截面在约束扭转时
