不同钢种混用工字截面钢梁应用探讨

中图分类号：TQ172.6文献标志码：B 文章编号：1007-0389（2020）Z1-61-02【DOI 】10.13697/ki.32-1449/tu.2020.Z1.024
不同钢种混用工字截面钢梁应用探讨
李
刚（中国中材国际工程股份有限公司，江苏南京211100）
引言
在我国，低合金高强钢的品种中，Q355锰钢用得比较普遍，Q390锰钒钢等也有所应用，并已正式列入钢结构设计规范[1]。

国外，屈服点高达690N/mm 2的热处理合金钢结构已应用多年。

在工程设计中，工字钢梁因受弯承载力需要，钢
梁截面较高，腹板板材的抗剪强度未能充分发挥，在翼缘板采用高强度钢材的条件下，腹板采用与翼缘同种材质的钢材，有所浪费；
在国标规范GB50017—2017未涉及的情况下，研究并实践在跨度大、荷载重的工字钢梁中，翼缘采用高强钢，而腹板仍用普通的Q235钢，以充分发挥各自的强度性能，取得较好的经济效益。

1
工字梁翼缘、腹板选材分析
在工字形截面的梁中，由于承受较大弯矩，翼缘的拉、压应力较大，往往采用高强钢；而腹板在参与抵抗弯矩的作用远不如翼缘有效。

简支钢梁端部腹板主要承受剪力，中部腹板主要承受弯矩并兼承受剪切力，不过所受的剪切力往往不如梁端那么大。

腹板对抵抗弯矩的作用有限，它的主要任务是承受剪力。

如果以不丧失稳定为准则来决定腹板尺寸，
则由式（1）[2]:腹板区格屈服的剪应力临界值：
τcr =βe π2E
12(1-ν2)(t w h w
)
2βe —板组约束系数,与梁腹板加劲肋间距有关；
κτ—梁腹板厚度;h 0—梁腹板高度
公式中并没有材料强度要素，由此可知，腹板用
高强钢材的意义并不大，因为弹性模量E 不随村料强度而提高，只是在h 0/d 得较小、τcr 超过弹性屈服极限时高强钢材屈服点高的优点才起作用。

不同钢种工字截面混用梁（以下简称混用梁）的
受力性能，分成图1的四个阶段:
首先是弹性阶段，应力在截面上的分布是线性的，见图1的（Ⅰ）;
第二阶段是腹板开始屈服，而翼缘仍然是弹性的，应力分布不再是线性的，见图1的（Ⅱ）;
第三阶段是翼缘开始进入塑性，见图1的（Ⅱ）;
后阶段则是截面全部屈服，形成塑性铰，见图1的（Ⅳ）。

由不同钢种工字截面混用梁的受力模态可知，混用梁的性能和单一钢种梁相差不大。

一个重要的差别是，当荷载超过弹性阶段再卸载时，混用梁会出现残余变形；不过，残余曲率并不大，相应残余应力也不大。

分析其原因是混用梁加载时应力分布呈非线性，而卸载却遵守线性的应力应变关系。

根据参考文献[3]所报道的简支混用梁受力试
验（梁截面是焊接而成的，翼缘为f y =690N/mm 2的钢
材，腹板为f y =230N/mm 2的钢材）的试验结果和理论计算对比结果可知，残余应力对梁的强度基本没有什么影响。

以上分析说明工程设计中采用混用梁设计是可行的，在实践中如何进行受弯构件的强度验算需要进一步理论支撑。

混用梁在整体稳定和局部稳定得到保证时，在截面进入全塑性后达到极限状态。

然而，由于在翼缘最外纤维应力达到f y 时，腹板有相当一部分已经屈服（见图1之Ⅱ）；全塑性弯矩M p ，和翼缘边缘屈服弯矩M yf 相差不大。

因此设计混用梁时，可以翼缘屈服为准则，考虑
和低材质腹板对翼缘板影响条件下，翼缘极限抗弯强度计算公式:
M f =2I f h f yf +Z w f yw -t w h 212×f 3
yw
f 2
yf 在此基础上美标AISC [3]提供了上、下翼缘抗弯
设计强度简化计算公式:σ上=M n
W X 上R e
≤f f
σ下=
M n
W X 下R PG R e
≤f f
李刚:不同钢种混用工字截面钢梁应用探讨
R PG=1-
α
r
1200+300αr(h c t w-
970
f
yf
6.84
)≤1.0
R e=12+αr(3m-m3)
12+2αr≤1.0m=f yw f yf
腹板抗剪强度与普通等强度梁一致，可采用钢结构设计规范[1]同样设计强度验算公式：
τ=VS
It
w ≤f yvw
3工字截面混用梁应用的优势
从以上公式可以看出，在腹板材质低于翼缘材质的情况下，翼缘的抗弯承载能力仅为正常的同材质梁乘一定的折减系数。

腹板的抗剪能力同常的同材质梁；
现设定日常工作中常遇到规格型号的工字钢梁，说明低材质腹板对翼缘板抗弯能力的影响，为便于比较，钢梁翼缘宽度均设为350mm，厚度取为25
mm，翼缘板材质采用Q355;腹板材质取为Q235，厚度随钢梁高度变化见表格。

由算例可知低材质腹板材质混合梁折减系数R e 均较大，混合梁因腹板材质低于翼缘材质而引起翼缘抗弯强度折减程度并不高，采用混合梁设计基本不会因采用低材质腹板而造成翼缘材料的增加；
在大截面工字钢梁中腹板重量占比较大，甚至多于60%；且因Q235材质相比高强度钢有一定的价格优势，在同样总重的情况下，混用钢梁体现了一定的经济优势，有利于工程的成本控制。

从前文也可以看出，公式中混合梁折减系数R e 相关计算并不复杂，易于在设计工作中执行。

4结语
工字截面混用梁的应用可以充分发挥各自钢材的强度性能，降低腹板钢材材质的要求，降低成本；大截面不同材质混用梁有一定的经济优势，值得在以后的工作中进一步分析研究，推广。

另一方面，随着我国建筑工程材料技术的不断快速发展，高强度的钢材越来越多的应用于工程设计；俗话说的“好钢用在刀刃上”，工字截面混用梁设计理念打开我们一个新的思路，工程设计中通过选用合适的建筑材料来优化设计，在保证建筑物安全性能的同时，针对性提高工程效益。

在设计工作中
钢梁编号GL1
GL2 GL3 GL4 GL5 GL6 GL7 GL8 GL9 GL10翼缘钢号
Q355
Q355
Q355
Q355
Q355
Q355
Q355
Q355
Q355
Q355
腹板钢号
Q235
Q235
Q235
Q235
Q235
Q235
Q235
Q235
Q235
Q235
翼缘抗拉
强度f y
335
335
335
335
335
335
335
335
335
335
腹板强度
f yw
235
235
235
235
235
235
235
225
225
225
翼缘抗拉
设计强度f
295
295
295
295
295
295
295
295
295
295
腹板抗拉设
计强度f w
215
215
215
215
215
215
215
205
205
205
αr
1.44
1.58
1.71
2.16
2.32
2.48
3.02
3.60
4.23
4.46
R PG
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
折减系数R e
0.98
0.97
0.97
0.97
0.97
0.96
0.96
0.95
0.94
0.94
腹板截面重量占比/%
41.86
44.09
46.15
51.92
53.70
55.36
60.14
64.29
67.89
69.03
钢梁编号GL1
GL2 GL3 GL4 GL5 GL6 GL7 GL8 GL9 GL10
钢梁截面/mm
高度H
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
上宽度B1
350
350
350
350
350
350
350
350
350
350
下宽度B2
350
350
350
350
350
350
350
350
350
350
上翼缘t1
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
下翼缘t2
25
25
25
25
25
25
25
25
25
25
腹板t w
12
12
12
14
14
14
16
18
20
20
中和轴
y n/mm550
600
650
700
750
800
850
900
950
1000
全截面惯性
矩/mm4
6.214E+09
7.562E+09
9.066E+09
1.114E+10
1.308E+10
1.520E+10
1.827E+10
2.182E+10
2.593E+10
2.942E+10
截面弹性抵抗矩
W
上/mm3
1.130E+07
1.260E+07
1.395E+07
1.592E+07
1.743E+07
1.900E+07
2.149E+07
2.425E+07
2.730E+07
2.942E+07
截面弹性抵抗矩
W
下/mm3
1.130E+07
1.260E+07
1.395E+07
1.592E+07
1.743E+07
1.900E+07
2.149E+07
2.425E+07
2.730E+07
2.942E+07
表1钢梁截面特征表
表2钢梁材料性能及翼缘抗弯设计强度计算折减系数R e
（下接第64页）
李刚:不同钢种混用工字截面钢梁应用探讨
365kg时，即可满足设计强度要求。

图1商砼胶水比（C/W）与混凝土28d强度关系曲线
为验证所选胶凝材料用量是否满足强度要求，采用3#试验所用外加剂，开展#4、#5配比试验，结果见表3。

从表中数据可以看到，#4和#5混凝土28d强度结果满足并优于第一次实验建立的混凝土胶水比和28d强度关系图。

3经济性指标预测
由于本商砼在生产中外加剂配方未随温度、原材料变化及时调整，适应性不佳，导致外加剂掺量高达2.65%，C30等级混凝土胶凝材料单方用量达到400kg，且混凝土经时损失大，质量控制难度增加。

通过调整外加剂配方，混凝土性能有明显改善，且配合比有较大优化空间，混凝土单方成本对比见表4（取优化后单方胶凝材料总用量为370kg）：
表3采用复配方案调整后的外加剂，降低水泥用量后混凝土性能表4调整前后混凝土单方成本对比
项目
单价（元/吨）SP003单方用量（kg/m³）SP003单方成本（元/m³）调整后单方用量（kg/m³）调整后单方成本（元/m³）成本变化（元/m³）
总成本变化（元/m³）水泥
300
290
87
270
81
-6
-14.2
粉煤灰
150
110
16.5
100
15
-1.5
外加剂
2800
10.6
29.7
8.2
23.0
-6.7
对比可知，通过及时调整外加剂配方以及混凝土配合比，混凝土单方成本可降低14.2元/m³，经济效益明显。

4结论和建议
（1）通过调整外加剂配方以及混凝土配合比，混凝土工作性能和28d强度有了很大提高，且降低了单方成本。

（2）由于当前原材料质量下滑、成分不稳，且冬、夏温差大，而第三代聚羧酸减水剂对原材料质量和气温较为敏感，如不及时根据原材料和气温变化调整外加剂配方，对公司质量和成本管控都极为不利。

（3）商混公司要加强原材料的管理，尤其是对外加剂减水率、固含量等关键性指标严格要求，在原材料发生较大变化或者发生季节性变化时，及时联系外加剂厂家对外加剂配方和生产配合比进行优化调整，并定期进行试拌验证，保证混凝土工作性能和强度指标，达到加强质量管控，降低生产成本的目的。

参考文献
[1]王玉瑛,杜守明.预拌(商品)砼配合比的调整[C]."全国特种混凝土技术及工程应用"学术交流会暨混凝土质量专业委员会年会.2008.
[2]吴方贵,黄海斌.商品混凝土应用掺合料、外加剂配料的研究与注意事项[C].中国商品混凝土可持续发展论坛暨全国商品混凝土技术与管理交流大会.2009.
[3]丁绍文.浅析商品混凝土中混凝外加剂的应用[J].商品与质量,2018(17):83.
[4]尤启俊,仲以林,陆酉教.商品混凝土选用外加剂的若干思考[J].商品混凝土,2007(2):41-42+87.
（收稿日期：2020-08-18）
编号4# 5#标号
C30
C30
实际用水量/kg
170
175
砂率/%
44
44
水胶比
0.45
0.46
外加剂掺量/%
2.2
2.7
初始流动度/mm
220/540
210/530
1h后流动度/mm7d强度/MPa
36.0
35.6
28d强度/MPa
48.0
46.9
践行绿色发展理念，用切实可行的行动做到保护环境、节约资源。

参考文献
[1]GB50017—2017.钢结构设计标准[S].
[2]崔佳.钢结构设计规范理解与应用[M].中国建筑出版社，2004.
[3]Frost，R.W.et al.，j.of the Struct，Div.，ASCE.90，St3，1964
[4]AISC-LRFD99，American Institute Of Steel Construction，Inc.
（收稿日期：2020-08-27）
（上接第62页）
王涛：商砼混凝土配方调整试验研究。