H型钢优选思考
《建筑钢结构设计方法与实例解析》
学习总结-第五章 (中)
(中国钢结构设计总群管理员：王铁柱)
接着上篇讲，上篇讲述了对门式钢结构体系的介绍以及相应的结构感官概念。本打算以上下两篇结束第五章，可是在写文章的过程中发现，如果仅仅以蜻蜓点水，一掠而过的方式进行阐述，我觉得不如不写。所以在上下两篇之间加了一篇，即：如何选择钢结构截面。此篇截面阐述仅对于门刚，
我们为什么要进行钢结构截面选择？安全，经济，适用。通俗的语言表达是：不出事，省钱，能用能接受。安全是结构工程师的底线，这个是前提，是结构师分内的事情，所以除了安全，我们要研究的大方向就是如何选择最省钱的截面。含钢量是工程造价的一个重要指标，我们必须注意。钢结构截面设计有两种方式，第一种，是书本上的讲述的。方法是是由设计荷载值求出截面模量，进而根据模量，选择出与参数相接近的截面。第二种。是软件设计模式，根据结构体系，边界条件，通过电算，算出内力。内力作用截面，判断截面是否合适。不合适就换截面，对截面参数进行调整，即调截面。软件计算速度快，方便。第二种是现在最普遍的设计方法。
门式钢结构截面选择往往用H型钢，或者焊接钢。H型钢局部稳定性好，加工方便。但是不能进行截面修改。焊接钢费工却省材料，可以根据实际情况进行变截面。门刚跨度不大时，变截面效益不明显，常常用H型钢就搞定了。那如何对截面进行调整呢？有两种方法：
第一种：选用H型钢， H型钢是轧制出来的，腹板与翼缘板的连接的整体性非常好。所以局部稳定非常好。我平常是照着H型钢重量表对结构进行框架或者门式钢结构设计的，尽量的选择单米重量进行设计。所以用H型钢的做出的结构重量比较小。我具体介绍下用H型钢设计的一些经验，H型钢分三种HN、HM、HW，分别称为窄翼缘（高宽比接近1:2），中翼缘（高宽比接近2:3），宽翼缘（高宽比1:1）。在没有高度限制的情况下，梁尽量选择HN窄翼缘型钢。因为重量很小。而柱子优先选择HM中翼缘，然后选择HW。视具体建筑空间尺寸，结构尺寸而定。
第二种：参照H型钢材料表，模仿H型钢。H型钢材料表述的很详细，详细的列出H型钢的长、宽、高、腹板厚度，翼缘板厚度。也就是说，当你需要手动输H型，参数的时候，你参照H型钢的走，如HN400×200×8×13，那么你设计的时候，就输入
H400×200×8×12.腹板与翼缘板的厚度尽量按照偶数的走。当然超高层是另一个说法。因为单层与多层的钢结构板的厚度是很薄的，大部分都是偶模数。否则买料的时候买不到。这里就有问题了:
1、我们为什么参考H型钢进行截面选择。
2、我们什么时候选择H焊接钢。
3、焊接钢截面调节的精髓是什么。
第一个问题，H型钢原先是没有的，是人们在实际的工作，与工程经验的过程，发现的常用的H型截面参数，于是人们把常用的截面参数进行列表，且为了满足局部稳定的条件下，设计出来的H型钢商品。就这就是H型钢的由来。美国，德国，法国，日本都有各自的H型钢。而且H型钢绝对不是HN、HM、HW三种，这是根据我国现有的情况，进行分类的，所以我国鸟巢有些钢材是从外国进口的。我大学老师讲过，目前对钢材研究最好的，一个是日本，一个是古巴。
第二个问题。根据与我合作的钢构厂大量的工程造价经验。仅单对门刚，多高层来讲，当H型钢截面高度采用400以上的时候，H 型钢对钢构厂与刻客户来讲，价格是不合适的。但是400截面以下采用焊接的时候，焊接太费工时。故而400以下采用H型钢。这些数据在书本是学不到的。得根据工程经验。当然影响钢结构是否采用焊接，有很多制约因素，地域性，实用性，实际情况等等。请根据各自的工程经验，进行各自的工程总结。
第三个问题。如何调节钢构件截面，焊接钢的精髓是什么。这是本章最重要讲述的。
影响钢构件的强度，主要不在于板材厚度，而是在于构件形状，不同的截面形状，截面参数不一样，截面参数不同，直接影响着截面的刚度，即抵抗截面变形的能力。仅对本章来讲，影响截面高度最主要的是弯矩。而H型截面抗剪刚度与抗拉压刚度较强。材料力学中讲述过，截面受弯，会在截面边缘产生拉压应力。由于工程构件受力复杂，所以钢截面会受拉压与弯矩的共同作用。所以我们看到弯矩大的地方，构件截面比较高。
一．理论性。
请参看下面的公式：
f=M/W
f为截面高度方向，在弯矩M作用下，构件边缘产生拉压应力。W 为抗弯模量。
W=I/y
I为截面惯性矩，y为截面边缘到通过截面形心主轴方向的垂直距离。即：
F=My/I
由公式可以看出，截面高度2y对弯矩产生的拉压应力有分散作用，截面高度越高，产生的拉压应力越小。另一个就是参数I，这个参数请参看材料力学。其实根据实际的数据参数变化，增加截面宽度，W的增长率没有增加高度参数增长率大。
即dW/dH(高度)>dW/dB(宽度)。
再介绍，H钢结构参数H×B×h×b(高×宽×腹板厚度×翼缘板厚度)各个参数对构件物理性能的影响指标。
1、影响抗弯刚度：H>B>b，而腹板厚度对h影响不大。
2、影响抗剪刚度：腹板参数起决定作用。请参看材料力学。
影响弯应力的的方法一种是分散，即增加H高度，另一种方法是增
加B，b，硬抗。
以上结论，请记住。即，能够抵抗弯应力的方法是增强翼缘板厚度
与宽度，另外一个是增加截面高度。
二、经济性。
什么是影响构件的重量的决定因素，由于钢材密度一定，H焊接钢
构件重量论Kg/m,所以决定构件重量的参数是界面面积，截面面积
越大，那么此构件每米重量越大。
设：截面参数为H×B×h×b,
由一，满足应力的方法是加大宽度与翼缘厚度，另外是增加截面高度。为了让读者明白，分析过程通俗易懂。条件（1）：
1.仅通过加大翼缘宽度，不改变翼缘厚度。
2.仅加高截面高度。不改变腹板厚度。(面积S1与S2是粗率计
算。对计算结果影响很小。S=Hh+2bB)
按条件增加宽度，增加宽度为dB,那么增加的S1面积为：
S1= 2×dB×b
增加高度dH,那么增加的面积S2为：
S2=dH×h
对上述公式两边求导：
S1/dB=2b=dS1
S2/dH=h=dS2
由数学含义，面积S1随着宽度的增加率2b,面积S2随着高度变化率为h.由于腹板的厚度h小于翼缘厚度b,即h 所以增加宽度的面积增长率大于增加高度的面积增长率，(dS1/dS2)>2. 所以结论是，增加腹板高度比增加翼缘板宽度省钢材，每增加1mm 翼缘宽度增加的面积至少比增加1mm腹板高度增加的面积大2倍以上。 条件（2）： 1、增大翼缘板厚度，不增加翼缘宽。 2、增大腹板厚度，不增加高度。 按条件增加翼缘板厚度，增加厚度为db,那么增加的S1面积为： S3= 2×db×B 增加高度dH,那么增加的面积S2为： S4=dh×H 对上述公式两边求导： S3/db=2B=dS3 S4/dh=H=dS4 由数学含义，面积S3随厚度的增加率2B,面积S4随着厚度变化率为H.由于腹板的高度H通常大于翼缘宽度B,即H>B,但是通常情况下2>B/H>0(除非建筑净空高度要求),所以通常S3 由数学含义，增加腹板厚度与增加翼缘板厚度的增长率应由实际情况而定。 条件（3）： 1、既增加截面高度，又增加腹板厚度。 2、既增加截面宽度，又增加翼缘板厚度。 按条件增加的面积为dS5. 具体公式以及推导关系由于时间以及篇幅问题，这里不在写出来。推导过程在我的手稿里。这里不公布，我只给群内远在非洲刚果（布）的蓝天看过。 根据我的计算结果分析，我写出下列结论。 1、增加截面高度，比增加翼缘板宽度以及厚度省钢材。而且抗弯 刚度效果更明显。 2、腹板的高度并不是要一味的增加，它受制于高厚比，即局部稳 定。 3、由于结论1条，在设计截面的时候，除非建筑净空有要求，尽 量不要增加翼缘板厚度。增加翼缘板厚度.比增加翼缘宽度增加的面积更剧烈。 4、由于结论1.结论3，我们要明确翼缘厚度，翼缘宽度与腹板高 度转化的关系。写出下列两个公式：推导很简单。 （1）增加翼缘厚度1mm，相当于增加腹板高度的关系。 即：(2B/h)=dH (2) 增加翼缘宽度1mm，相当于增加腹板高度的关系。 即：(2b/h)=dH 这两个简单的含义，通俗的来讲就是当我们增加翼缘板厚度的时候，相当于增加腹板高度多少。当我们增加翼缘板宽度的时候，相当于增加腹板高度多少。 举个我实际调节截面的例子。我在模型中输入了一个截面 H400×200×8×12. 可是我发现，计算结果截面应力比不够，假如我想增加翼缘板厚度1mm，即截面H400×200×8×13。那么截面的面积，转化成腹板高度，且两者面积相等。由公式(2B/h),即(2×200)/8=400/8=50.也就是说增加翼缘板厚度1mm，相当与腹板高度增加50mm。 S（H400×200×8×13）= S（H450×200×8×12）。 所以如果接下来，你要调整的腹板高度为400~450之间，你可以选择界面H420×200×8×12，如果截面满足。那么调整到此为止，如果不满足。就继续加。可是当你发现，截面超过450还是不满足应力比。那么你可以让翼缘厚度增加1. 由于建筑净空限制，H400×200×8×12应力比不够。只能增加宽度，那么增加1mm宽度，转化为腹板高度是多少呢？有公式(2b/h),(2×12)/8=3,即增加翼缘板1mm宽度，相当于增加高度3mm，是3倍。 假如由原先的截面H450×200×8×12降低高度，变成高度430，那么相当于450-430=20，20/3=6.7mm，取7mm，即截面430×207×8×12。 假如你很熟练，你可以任意修改截面高度，板材厚度，而且省钢材。这只是H焊接钢的规律，其他型材的规律有很多，靠大家自己总结，鉴于篇幅，我就不列出结论了。我写的这些东西，其实就是调节截面的奥妙。书本上是没有的。 中篇重点讲述，经济截面调节。结论很简单。 (2B/h)=dH (2b/h)=dH 希望大家熟练操作。工程实例篇需要讲述的太多，另外我的工作时间限制，我需要整理思路，写文章，时间很紧，需要的时间为2个礼拜。中篇就讲述到这里，谢谢。