CN113051754B - 一种非对称翼缘h型钢组合梁截面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，该方法包括以下步骤：首先根据当前所处的设计阶段，确定非对称翼缘H型钢组合梁的设计方式；之后根据确定的设计方式，结合相应的外部设计参数进行求解计算，以得到非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点，其中，控制点的横坐标为上下翼缘厚度分布比例，控制点的纵坐标为非对称翼缘H型钢组合梁的抗弯承载力；最后基于控制点的横纵坐标数据，完成非对称翼缘H型钢组合梁截面的设计。与现有技术相比，本发明能够根据外部设计条件的不同选择判断方法，实现对非对称翼缘H型钢组合梁截面的精准量化设计，具有经济性优越、灵活性强、适应性好的优点。

Description

一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法

技术领域

本发明涉及钢结构设计技术领域，尤其是涉及一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法。

背景技术

传统热轧H型钢截面是双轴对称截面，与钢材拉压强度相同的特性相适应。钢与混凝土组合梁是由混凝土翼板与钢梁通过抗剪连接件组合而成的可整体受力的梁，充分利用了钢材抗拉强度大和混凝土抗压强度高的特点，上部混凝土楼板(或者共同与钢梁上翼缘)作为受压翼缘，下部钢梁作为受拉翼缘，大大提高了钢梁构件的抗弯承载力。

为了进一步提高组合梁的截面抗弯效率，H型钢可以做成非对称翼缘的形式，具有技术经济优越性。对于两端铰接的楼面普通钢梁，尤其对于超高层结构，楼层数多且平面基本布置对称，连接外框架和核心筒的径向钢次梁是普通采用的重力传递系统，排布具有规则性和重复性，且在总体工程量中占有较大的比重，径向钢次梁采用非对称翼缘H型钢组合梁将产生显著的经济效益。但目前国内对非对称翼缘H型钢组合梁的研究和应用较少，缺少精准量化的截面设计方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，以实现对非对称翼缘H型钢组合梁截面的精准量化设计。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，包括以下步骤：

S1、根据当前所处的设计阶段，确定非对称翼缘H型钢组合梁的设计方式；

S2、根据步骤S1确定的设计方式，结合相应的外部设计参数进行求解计算，以得到非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点，其中，控制点的横坐标为上下翼缘厚度分布比例，控制点的纵坐标为非对称翼缘H型钢组合梁的抗弯承载力；

S3、基于控制点的横纵坐标数据，完成非对称翼缘H型钢组合梁截面的设计。

进一步地，所述步骤S1中设计阶段包括方案阶段和施工图阶段。

进一步地，所述步骤S1的具体过程为：若当前处于方案阶段，则确定设计方式为根据钢梁跨度进行设计；

若当前处于施工图阶段，则确定设计方式为根据钢梁高进行设计。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、若根据钢梁跨度进行设计，则获取包括钢梁跨度、钢梁间距、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载和楼板厚度的外部设计参数；

若根据钢梁高进行设计，则获取包括钢梁高、目标抗弯承载力、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载和楼板厚度的外部设计参数；

S22、若根据钢梁跨度进行设计，则结合钢梁跨度以及预设的跨高比，计算得到初始梁高；结合对应的外部设计参数，分别计算得到施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力；

若根据钢梁高进行设计，则以钢梁高作为初始梁高，结合对应的外部设计参数，分别计算得到施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力；

S23、根据初始梁高、施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力，结合构造要求，确定初始截面尺寸以及控制参数；

S24、基于初始截面尺寸以及控制参数，通过迭代计算，求解得到满足参数控制要求的非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点。

进一步地，所述施工阶段的组合梁弯矩具体为：

q_A＝0.9·G·(1.3·H·W+1.5L_A)

其中，M_A为施工阶段的组合梁弯矩，q_A为施工阶段的荷载作用效应，l为钢梁跨度，G为钢梁间距，H为楼板厚度，W为混凝土的容重，L_A为施工活载；

所述施工阶段的剪力具体为：

其中，V_A为施工阶段的剪力。

进一步地，所述使用阶段的组合梁弯矩具体为：

q_B＝G·(1.3·H·W+1.3·L_BY+1.5L_B)

其中，M_B为使用阶段的组合梁弯矩，q_B为使用阶段的荷载作用效应，l为钢梁跨度，G为钢梁间距，H为楼板厚度，W为混凝土的容重，L_BY为附加恒载，L_B为使用活载；

所述使用阶段的剪力具体为：

其中，V_B为施工阶段的剪力。

进一步地，所述初始截面尺寸包括钢梁高度、钢梁翼缘宽度、钢梁腹板厚度和上下翼缘厚度，所述控制参数包括组合梁设计弯矩、组合梁设计剪力以及组合梁施工阶段与使用阶段作用效应比值。

进一步地，所述组合梁设计弯矩即为使用阶段的组合梁弯矩，所述组合梁设计剪力即为使用阶段的剪力，所述组合梁施工阶段与使用阶段比值具体为施工阶段的组合梁弯矩与使用阶段的组合梁弯矩的比值。

进一步地，所述步骤S24的迭代求解的具体过程为：

S241、根据施工阶段与使用阶段的荷载作用效应比值，确定组合梁两阶段承载力比限值，并将大于此限值的区域设定为满足组合梁两阶段承载力比要求的上翼缘厚度百分比范围；

S242、查找抗弯承载力曲线在上翼缘厚度百分比范围区域内的极大值点，并获得该极大值点的纵坐标数据；

S243、若该极大值点的纵坐标数据满足参数控制要求，则该极大值点即为控制点，否则返回步骤S241。

进一步地，所述步骤S243中参数控制要求具体为：极大值点的纵坐标数据大于或等于组合梁设计弯矩。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明考虑到非对称翼缘H型钢组合梁的受力特性，提出了非对称翼缘H型钢组合梁的设计方法。充分利用钢材抗拉强度大和混凝土抗压强度高的特点，在满足规范所有基本构造要求、施工阶段和使用阶段抗弯承载力要求的情况下，根据组合梁抗弯承载力最大化原则进行迭代求解，以得到最优解，从而实现非对称翼缘H型钢组合梁截面的精准量化设计，确保得到结果的准确性。

二、本发明基于当前所处的设计阶段，通过获取相应的外部设计参数，以进行相应的控制点求解，由此可根据钢梁跨度以及钢梁高度等多种方式进行截面设计，能够根据外部设计条件的不同选择判断方法，使得本发明具有灵活性强、适应性好的优点，由于外部设计参数都是根据结构实际条件确定的，因而使得求解结果也更具有实际意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为本发明中求解控制点的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，包括以下步骤：

S1、根据当前所处的设计阶段(方案阶段或施工图阶段)，确定非对称翼缘H型钢组合梁的设计方式，若当前处于方案阶段，则确定设计方式为根据钢梁跨度进行设计；

若当前处于施工图阶段，则确定设计方式为根据钢梁高进行设计；

S2、根据步骤S1确定的设计方式，结合相应的外部设计参数进行求解计算，以得到非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点，其中，控制点的横坐标为上下翼缘厚度分布比例，控制点的纵坐标为非对称翼缘H型钢组合梁的抗弯承载力，具体可分为以下步骤：

S21、若根据钢梁跨度进行设计，则获取包括钢梁跨度、钢梁间距、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载和楼板厚度的外部设计参数；

若根据钢梁高进行设计，则获取包括钢梁高、目标抗弯承载力、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载和楼板厚度的外部设计参数；

S22、若根据钢梁跨度进行设计，则结合钢梁跨度以及预设的跨高比，计算得到初始梁高；结合对应的外部设计参数，分别计算得到施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力；

若根据钢梁高进行设计，则以钢梁高作为初始梁高，结合对应的外部设计参数，分别计算得到施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力；

其中，施工阶段的组合梁弯矩具体为：

q_A＝0.9·G·(1.3·H·W+1.5L_A)

M_A为施工阶段的组合梁弯矩，q_A为施工阶段的荷载作用效应，l为钢梁跨度，G为钢梁间距，H为楼板厚度，W为混凝土的容重，L_A为施工活载；

施工阶段的剪力具体为：

V_A为施工阶段的剪力；

使用阶段的组合梁弯矩具体为：

q_B＝G·(1.3·H·W+1.3·L_BY+1.5L_B)

M_B为使用阶段的组合梁弯矩，q_B为使用阶段的荷载作用效应，l为钢梁跨度，G为钢梁间距，H为楼板厚度，W为混凝土的容重，L_BY为附加恒载，L_B为使用活载；

使用阶段的剪力具体为：

V_B为施工阶段的剪力；

S23、根据初始梁高、施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力，结合构造要求，确定初始截面尺寸(包括钢梁高度、钢梁翼缘宽度、钢梁腹板厚度和上下翼缘厚度)以及控制参数(包括组合梁设计弯矩、组合梁设计剪力以及组合梁施工阶段与使用阶段作用效应比值，其中，组合梁设计弯矩即为使用阶段的组合梁弯矩，组合梁设计剪力即为使用阶段的剪力，组合梁施工阶段与使用阶段比值具体为施工阶段的组合梁弯矩与使用阶段的组合梁弯矩的比值)；

S24、基于初始截面尺寸以及控制参数，通过迭代计算，求解得到满足参数控制要求的非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点，具体的：

首先根据施工阶段与使用阶段的荷载作用效应比值，确定组合梁两阶段承载力比限值，并将大于此限值的区域设定为满足组合梁两阶段承载力比要求的上翼缘厚度百分比范围；

之后查找抗弯承载力曲线在上翼缘厚度百分比范围区域内的极大值点，并获得该极大值点的纵坐标数据；

若该极大值点的纵坐标数据满足参数控制要求(极大值点的纵坐标数据大于或等于组合梁设计弯矩)，则该极大值点即为控制点，否则返回继续进行迭代求解；

S3、基于控制点的横纵坐标数据，完成非对称翼缘H型钢组合梁截面的设计。

本实施例应用上述方法的具体过程为：

1)确定非对称翼缘H型钢组合梁的设计方式；

2)根据步骤1)确定的设计方式，输入相应的外部设计参数；

3)根据步骤2)中外部设计参数求解非对称翼缘H型钢组合梁截面。

步骤1)具体为：

11)根据设计阶段选择非对称翼缘H型钢组合梁的截面设计方式，方案阶段则选择根据钢梁跨度进行设计，转至步骤21)；施工图阶段则选择钢梁高进行设计，转至步骤22)。

步骤2)具体为：

21)根据步骤1)如选择根据钢梁跨度进行设计的方式，输入以下参数：钢梁跨度、钢梁间距、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载、楼板厚度。

22)根据步骤1)如选择根据钢梁高进行设计的方式，输入以下参数：钢梁高、目标抗弯承载力、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载、楼板厚度。

步骤3)具体为：

31)根据步骤21)接收的参数信息，按跨高比确定初始梁高，根据荷载确定组合梁弯矩和剪力；根据步骤22)接收的参数信息，直接得到初始梁高和组合梁弯矩；

32)根据步骤31)接收的信息，根据构造要求确定初始截面尺寸及控制参数：

初始截面尺寸包括钢梁高度、钢梁翼缘宽度、钢梁腹板厚度、初始上下翼缘厚度之和；

控制参数包括组合梁弯矩设计M₀、组合梁设计剪力V₀以及组合梁施工阶段与使用阶段作用效应比值β；

33)根据步骤32)接收的信息，通过迭代程序求解满足参数控制要求的非对称翼缘H型钢组合梁截面最优解。

步骤33)的迭代程序求解最优解具体为：对钢梁高度、钢梁翼缘宽度、钢梁腹板厚度、上下翼缘厚度进行迭代计算，首先，根据施工阶段与使用阶段的荷载作用效应比值β确定组合梁两阶段承载力比限值(如图2中的水平虚线所示)，大于此限值的区域即为满足组合梁两阶段承载力比要求的上翼缘厚度百分比范围(如图2中阴影矩形区域所示)；然后查找抗弯承载力曲线在阴影区域内极大值点，该点即为设计控制点(如图2中控制点示意)，控制点的横坐标为上下翼缘厚度分布比例，控制点的纵坐标为非对称翼缘H型钢组合梁的抗弯承载力。若此控制点的抗弯承载力大于组合梁设计弯矩M₀，则为最优解；若此控制点的抗弯承载力小于组合梁设计弯矩M₀，则表明未达到最优解。

本实施例根据设计要求，方案阶段选择根据钢梁跨度方式进行设计。首先获取相应的外部设计参数：钢梁跨度11.5m，钢梁间距3.2m，钢材等级Q355，混凝土等级C35，附加恒载1.5kN/m²，活荷载3.5kN/m²，楼板厚度120mm。

根据外部设计参数信息，进行非对称翼缘H型钢组合梁设计，其中，初始梁高和控制参数如表1所示。

表1

初始梁高/mm	设计弯矩/kN.m	设计剪刀/kN	组合梁施工阶段与使用阶段作用效应比值β
				500	690	343	0.438

对钢梁高度、钢梁翼缘宽度、钢梁腹板厚度、上下翼缘厚度进行迭代计算，由组合梁施工阶段与使用阶段作用效应比值β确定组合梁两阶段承载力比限值为0.438，大于此限值的区域即为满足组合梁两阶段承载力比要求的上翼缘厚度百分比范围。通过VBA语言编制的迭代程序求解满足参数控制要求的非对称翼缘H型钢组合梁截面最优解，当上下翼缘厚度之和为20mm时，满足限值的上翼缘厚度百分比范围为0.45～0.70，此范围内最大组合梁抗弯承载力为702kN，抗剪承载力为669kN，均大于设计弯矩和设计剪力，相应构件截面信息如表2所示。

表2

Claims (5)

1.一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据当前所处的设计阶段，确定非对称翼缘H型钢组合梁的设计方式；

S2、根据步骤S1确定的设计方式，结合相应的外部设计参数进行求解计算，以得到非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点，其中，控制点的横坐标为上下翼缘厚度分布比例，控制点的纵坐标为非对称翼缘H型钢组合梁的抗弯承载力；

S3、基于控制点的横纵坐标数据，完成非对称翼缘H型钢组合梁截面的设计；

所述步骤S1中设计阶段包括方案阶段和施工图阶段；

所述步骤S1的具体过程为：若当前处于方案阶段，则确定设计方式为根据钢梁跨度进行设计；

若当前处于施工图阶段，则确定设计方式为根据钢梁高进行设计；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、若根据钢梁跨度进行设计，则获取包括钢梁跨度、钢梁间距、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载和楼板厚度的外部设计参数；

若根据钢梁高进行设计，则获取包括钢梁高、目标抗弯承载力、钢材等级、混凝土强度、附加恒载、活荷载和楼板厚度的外部设计参数；

S22、若根据钢梁跨度进行设计，则结合钢梁跨度以及预设的跨高比，计算得到初始梁高；结合对应的外部设计参数，分别计算得到施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力；

若根据钢梁高进行设计，则以钢梁高作为初始梁高，结合对应的外部设计参数，分别计算得到施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力；

S23、根据初始梁高、施工阶段的组合梁弯矩和剪力、使用阶段的组合梁弯矩和剪力，结合构造要求，确定初始截面尺寸以及控制参数；

S24、基于初始截面尺寸以及控制参数，通过迭代计算，求解得到满足参数控制要求的非对称翼缘H型钢组合梁截面的控制点；

所述施工阶段的组合梁弯矩具体为：

q_A＝0.9·G·(1.3·H·W+1.5L_A)

其中，M_A为施工阶段的组合梁弯矩，q_A为施工阶段的荷载作用效应，l为钢梁跨度，G为钢梁间距，H为楼板厚度，W为混凝土的容重，L_A为施工活载；

所述施工阶段的剪力具体为：

其中，V_A为施工阶段的剪力；

所述使用阶段的组合梁弯矩具体为：

q_B＝G·(1.3·H·W+1.3·L_BY+1.5L_B)

其中，M_B为使用阶段的组合梁弯矩，q_B为使用阶段的荷载作用效应，l为钢梁跨度，G为钢梁间距，H为楼板厚度，W为混凝土的容重，L_BY为附加恒载，L_B为使用活载；

所述使用阶段的剪力具体为：

其中，V_B为施工阶段的剪力。

2.根据权利要求1所述的一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，其特征在于，所述初始截面尺寸包括钢梁高度、钢梁翼缘宽度、钢梁腹板厚度和上下翼缘厚度，所述控制参数包括组合梁设计弯矩、组合梁设计剪力以及组合梁施工阶段与使用阶段作用效应比值。

3.根据权利要求2所述的一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，其特征在于，所述组合梁设计弯矩即为使用阶段的组合梁弯矩，所述组合梁设计剪力即为使用阶段的剪力，所述组合梁施工阶段与使用阶段比值具体为施工阶段的组合梁弯矩与使用阶段的组合梁弯矩的比值。

4.根据权利要求2所述的一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，其特征在于，所述步骤S24的迭代求解的具体过程为：

S241、根据施工阶段与使用阶段的荷载作用效应比值，确定组合梁两阶段承载力比限值，并将大于此限值的区域设定为满足组合梁两阶段承载力比要求的上翼缘厚度百分比范围；

S242、查找抗弯承载力曲线在上翼缘厚度百分比范围区域内的极大值点，并获得该极大值点的纵坐标数据；

S243、若该极大值点的纵坐标数据满足参数控制要求，则该极大值点即为控制点，否则返回步骤S241。

5.根据权利要求4所述的一种非对称翼缘H型钢组合梁截面设计方法，其特征在于，所述步骤S243中参数控制要求具体为：极大值点的纵坐标数据大于或等于组合梁设计弯矩。

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