工字鋼又稱鋼梁,是截面為工字形的長條鋼材,工字鋼的規(guī)格也可以用型號(hào)表示，型號(hào)表示腰高的厘米數(shù)，腰高相同的工字鋼，本文研究選擇了工字鋼梁的截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)作為研究鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，討論工字型截面梁的設(shè)計(jì)施工中，截面尺寸設(shè)計(jì)方面的一些問題。

　　《建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展》以推動(dòng)我國建筑鋼結(jié)構(gòu)事業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)相關(guān)理論研究及實(shí)用技術(shù)與新型產(chǎn)品開發(fā)，加強(qiáng)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，加快科研成果向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化為宗旨，為廣大從事建筑鋼結(jié)構(gòu)研究、設(shè)計(jì)、制作、安裝和施工以及維修防護(hù)等相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員、高等院校師生和科研工作者服務(wù)。本雜志注重內(nèi)容的實(shí)用和新穎，重視國內(nèi)外建筑鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的最新科技與市場信息，主要刊登各類建筑鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論、實(shí)用設(shè)計(jì)方法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、制作與安裝工藝，展示國內(nèi)外有特色的建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例，廣泛交流建筑鋼結(jié)構(gòu)新體系、新技術(shù)、新工藝、新材料和新產(chǎn)品及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，介紹各國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范以及我國建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的背景資料。

　　工字鋼分普通工字鋼和輕型工字鋼、H型鋼三種。工字鋼廣泛用于各種建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛、支架、機(jī)械等。普通工字鋼和輕型工字鋼的翼緣由根部向邊上逐漸變薄的，有一定的角度，普通工字鋼和輕型工字鋼的型號(hào)是用其腰高厘米數(shù)的阿拉伯?dāng)?shù)字來表示，是截面形狀為槽形的型鋼。H型鋼屬于高效經(jīng)濟(jì)裁面型鋼材(其它還有冷彎薄壁型鋼、壓型鋼板等)，由于截面形狀合理，它們能使鋼材更高地發(fā)揮效能，提高承裁能力。不同于普通工字鋼的是H型鋼的翼緣進(jìn)行了加寬，而且內(nèi)、外表面通常是平行的，這樣可便于用高強(qiáng)度螺栓和其他構(gòu)件連接。作為鋼結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件之一的工字鋼梁是工程中使用最多的型鋼之一。優(yōu)化合理地使用工字鋼梁是人們節(jié)省材料，降低工程投資成木的有效途徑之一。另外，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)又是一種高效、快速設(shè)計(jì)的手段。

　　1.工字鋼梁截面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　組合梁截面應(yīng)滿足強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度的要求。設(shè)計(jì)組合梁時(shí)，首先需要初步估計(jì)梁的截面高度、腹板厚度和翼緣尺寸。

　　(1)梁的截面高度：確定梁的截面高度應(yīng)考慮建筑高度、剛度和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面的要求。建筑高度是指梁的底面到鋪板頂面之間的高度，通常由生產(chǎn)工藝和使用要求決定。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(biāo)準(zhǔn)值作用下的撓度v不大于容許撓度。梁的經(jīng)濟(jì)高度，梁用鋼量最少的高度。經(jīng)驗(yàn)公式為：

　　實(shí)際采用的梁高，應(yīng)介于建筑高度和最小高度之間，并接近經(jīng)濟(jì)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的倍數(shù)。

　　(2)腹板厚度：腹板厚度應(yīng)滿足抗剪強(qiáng)度的要求。初選截面時(shí)，可近似的假定最大剪應(yīng)力為腹板平均剪應(yīng)力的1.2倍，根據(jù)腹板的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式：

　　由式(14)確定的值往往偏小。為了考慮局部穩(wěn)定和構(gòu)造等因素，腹板厚度一般用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

　　式(15)中，和的單位均為mm。實(shí)際采用的腹板厚度應(yīng)考慮鋼板的現(xiàn)有規(guī)格，一般為2mm的倍數(shù)。對(duì)于非吊車梁，腹板厚度取值宜比式(15)的計(jì)算值略小;對(duì)考慮腹板屈曲后強(qiáng)度的梁，腹板厚度可更小，但腹板高厚比不宜超過250。

　　(3)翼緣尺寸：

　　已知腹板尺寸，可求得需要的翼緣截面積。

　　已知

　　由此得每個(gè)翼緣的面積

　　近似取，則翼緣面積為

　　(4)

　　翼緣板的寬度通常為=(1/6～l/2.5)h，厚度t=/。翼緣板常用單層板做成，當(dāng)厚度過大時(shí)，可采用雙層板。確定翼緣板的尺寸時(shí)，應(yīng)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≤15(彈性設(shè)計(jì))或13(考慮塑性發(fā)展)。選擇翼緣尺寸時(shí)，同樣應(yīng)符合鋼板規(guī)格，寬度取10mm的倍數(shù)，厚度取2mm的倍數(shù)。

　　2.截面驗(yàn)算分析

　　初選截面后，驗(yàn)算彎曲正應(yīng)力，整體穩(wěn)定，非均布荷載時(shí)還要驗(yàn)算梁的剛度，視情況還要驗(yàn)算局部壓應(yīng)力和折算應(yīng)力。一般情況下，由于初選截面時(shí)已考慮了抗剪強(qiáng)度要求，通常可不必驗(yàn)算剪應(yīng)力，截面驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮梁自重。

　　(1)彎曲強(qiáng)度

　　①彈性工作階段：當(dāng)彎矩M較小時(shí)，截面上的彎曲應(yīng)力呈三角形直線分布，其外緣纖維最大應(yīng)力為σ=M/Wn。這個(gè)階段可以持續(xù)到σ達(dá)到屈服點(diǎn)fy，此時(shí)梁截面的彎矩達(dá)到彈性極限彎矩Me。

　　公式：Me=Wnfy

　　式中：Me——梁的彈性極限彎矩;Wn——梁的凈截面(彈性)模量。

　　②彈塑性工作階段：彎矩繼續(xù)增加，截面外緣部分進(jìn)入塑性狀態(tài)，中央部分仍保持彈性。截面彎曲應(yīng)力呈折線分布，隨著彎矩增大，塑性區(qū)逐漸向截面中央擴(kuò)展，中央彈性區(qū)相應(yīng)逐漸減小。

　　③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(jìn)入塑性狀態(tài)，即達(dá)到塑性工作階段，此時(shí)梁截面應(yīng)力呈兩個(gè)矩形分布彎矩達(dá)到最大極限，稱為塑性彎矩MP。

　　(2)彎曲剪應(yīng)力計(jì)算

　　根據(jù)材料力學(xué)開口截面的剪應(yīng)力計(jì)算公式，梁的抗剪強(qiáng)度或剪應(yīng)力按下式計(jì)算：

　　式中：Vy——計(jì)算截面沿腹板平面作用的剪力;Sx——計(jì)算剪應(yīng)力處以上或以下毛截面對(duì)中和軸的面積矩;Ix——毛截面慣性矩;t——計(jì)算點(diǎn)處板件的厚度;fv——鋼材抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度。