钢梁省材设计研究

2014-12-25

中国新技术新产品 2014年2期

关键词：翼缘板惯性矩节省

（北京南车时代机车车辆机械厂验收室，北京 102249）

钢梁省材设计研究

张振祥

（北京南车时代机车车辆机械厂验收室，北京 102249）

钢梁上翼缘板受压，下翼缘板受拉，减薄或者去掉下翼缘板，在减薄的下翼缘板处增加高强钢筋或钢丝绳，就能补足或超出原下翼缘板所能承受的拉应力。因为高强钢筋或钢丝绳的抗拉强度比普通钢板高很多，这种方法，能够节省一部分钢材。

钢梁；等强设计；节省材料

1 钢梁的种类。

钢梁从结构形式上可分成型工字钢梁、焊接工字钢梁、T型钢梁，焊接双腹钢梁、花梁、异型钢梁。

2 箱形钢梁结构。

箱形钢梁，也称为焊接双腹钢梁，典型的结构是:上翼缘板，下翼缘板，腹板，大筋板，小筋板。上翼缘板承受钢梁自身重量及载荷所产生的压应力。腹板和隔板保持整体刚度并承受剪力，腹板接近上翼缘板处辅助承担部分压应力，腹板接近下翼缘板处辅助承担部分拉应力。下翼缘板，承受钢梁自身重量及载荷所产生的拉应力。

3 钢梁节省材料结构设计。

对于箱形钢梁，上翼缘板，腹板，大、小隔板都按原设计制作组装。对于下

翼缘板，在等强原则下应有几种方法。①保留但要减薄下翼缘板。在大隔板下面，并以大隔板为中心对称布置宽200毫米厚度同上翼缘板的加强版，加强版下的耳板固定钢丝绳并将力传递到钢丝绳。②不在保留下翼缘板，在大隔板下面与两腹板组焊一块宽200毫米厚度同上翼缘板的加强板。其作用为保持箱梁的刚度，并在该板下加装固定钢丝绳的耳板。钢丝绳在梁中心线两侧对称布置；编花设置对钢梁整体的刚度应该更好。

4 钢梁的上拱度。

正常情况下钢梁在自重作用下会产生一定的下挠度，此时上翼缘板受压

下翼缘板受拉。增加钢丝绳的钢梁，可以人为地改变钢梁挠度方向，利用钢丝绳抗拉强度高的特点，在制作阶段将钢梁制出反拱，使钢梁上翼缘板受拉下翼缘板受压。钢梁在受载使用阶段，上翼缘板会从一定的拉应力状态逐步变为受力为零，在从零起步逐步承受一定的压应力。对应于上翼缘板受力的变化，下翼缘板始终承受拉应力，而钢丝绳的特点是抗拉能力强。从而节省材料或提高钢梁承载能力。对于需要产生上供的量，应视具体情况具体确定。由于笔者不是专业设计人员，恕不能给出确切的数值。

钢丝绳梁端固定。简单的受力不是很大的钢梁，钢丝绳可以直接固定在下翼缘板。当钢梁受力较大，且梁端剪力较大时，应将钢丝绳在梁端以45-60度角拉起，将钢丝绳固定在上翼缘板。

5 钢梁节省材料的原理

节省材料并提高钢梁承载能力来源于四部分。①理论上讲，普通钢梁中心线以上受压、以下受拉。如上所述减薄或去掉下翼缘板，则下翼缘板不再承担由自重及载荷所产生的拉应力，拉应力完全由钢丝绳来承担，减薄或者去掉了下翼缘板，相对于增加的钢丝绳来说显而易见的就节省了钢材。②被去掉的下翼缘板，其重量远大于钢丝绳的重量，从而减轻了自重，在承载力不变时，可以减薄上翼缘板和腹板的用材量。③正常钢梁，上翼缘受压下翼缘受拉，而去掉下翼缘板并增加钢丝绳的钢梁，其上翼缘与腹板应该都是受压构件，其截面惯性矩及抗弯模量要远远大于没有去掉下翼缘板的钢梁。在承载力不变时，可以减薄上翼缘板和腹板的用材量。④钢丝绳抗拉强度远远大于普通钢板，利用这一特点，在钢梁组焊结束加装钢丝绳时，使用工装将钢丝绳拉紧、受力。最终钢梁会出现上拱，确定并达到一定的上拱量时，将钢丝绳固定在钢梁上。这时的钢梁上翼缘板受拉，靠近钢丝绳的下边缘受压。其受力状况与正常钢梁相反。逐步加载，加载初期，钢梁上翼缘板所受拉应力逐步减少，逐渐趋近于零，之后上翼缘板由受拉应力进而变成受压应力。钢梁上翼缘板从受拉应力到受力为零时，已经承担了一定的载荷。当外载荷或承载力不变时，可以减薄上翼缘。

6 理论设计

钢梁上、下翼缘板20毫米厚500毫米宽，两腹板厚14毫米，梁高800毫米，梁长L米，梁中部集中载荷P。正常梁截面惯性矩轴与梁型心轴重合，其截面惯性矩J=（500*20^3/12+500*20*390^2）*2+2*14*380^3/12=3.107*10^9MM^4；当去掉下翼缘板增加钢丝绳后，梁截面惯性矩轴在梁的最下边缘，此时，上翼缘板面积A上=500*20=10000M^2，型心Y上 =20/2+760+20=790MM，腹板面积 A复 =14*760*2=21280M^2，腹板型心Y复=760/2+20=400MM，异形梁截面型心纵坐标Y异=（10000*790+21280*400）/（10000+21280）=524.68MM，上翼缘板截面惯性矩为J上 =（500*20^3/12+500*20*790^2）=6.24*10^9MM^4 。J复 =14*760^3/12*2+ 14*760*2*524.68^2=6.88*10^9MM^4。异形梁的截面惯性矩J异=6.24*10^9MM ^4+6.88*10^9MM^4=13.12*10^9MM^4。13.12*10^9MM^4/3.107*10^9MM^4=4.22倍。由此可见增加了钢丝绳的异型钢梁，其承载能力有了很大提高。

正常钢梁σ正=PL400/2/3.1*10^9。异型钢梁σ异=PL790/2/13.1210^9。σ 异 /σ 正 =PL790/2/13.1210^9/ PL400/2/3.1*10^9=0.47。就是说增加了钢丝绳钢梁，在相同载荷作用下，材料所受应力只是正常钢梁所受应力的0.47倍。相当于承载能力提高2.14倍。考虑到钢梁施加反拱，还可以提高承载能力。