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)格也可以用型號表示，型號表示腰高的厘米數(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)化設計作為研究鋼結構優(yōu)化設計的切入點，討論工字型截面梁的設計施工中，截面尺寸設計方面的一些問題。

　　《建筑鋼結構進展》以推動我國建筑鋼結構事業(yè)的發(fā)展，促進相關理論研究及實用技術與新型產(chǎn)品開發(fā)，加強國內外學術交流，加快科研成果向生產(chǎn)力轉化為宗旨，為廣大從事建筑鋼結構研究、設計、制作、安裝和施工以及維修防護等相關領域的工程技術人員、高等院校師生和科研工作者服務。本雜志注重內容的實用和新穎，重視國內外建筑鋼結構領域的最新科技與市場信息，主要刊登各類建筑鋼結構的計算理論、實用設計方法、計算機輔助設計技術、制作與安裝工藝，展示國內外有特色的建筑鋼結構設計案例，廣泛交流建筑鋼結構新體系、新技術、新工藝、新材料和新產(chǎn)品及其在實際工程中的應用情況，介紹各國建筑鋼結構設計規(guī)范以及我國建筑鋼結構設計規(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構、橋梁、車輛、支架、機械等。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是用其腰高厘米數(shù)的阿拉伯數(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型鋼的翼緣進行了加寬，而且內、外表面通常是平行的，這樣可便于用高強度螺栓和其他構件連接。作為鋼結構中的主要構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，利用計算機優(yōu)化設計又是一種高效、快速設計的手段。

　　1.工字鋼梁截面的設計要點

　　組合梁截面應滿足強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度的要求。設計組合梁時，首先需要初步估計梁的截面高度、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考慮建筑高度、剛度和經(jīng)濟三個方面的要求。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準值作用下的撓度v不大于容許撓度。梁的經(jīng)濟高度，梁用鋼量最少的高度。經(jīng)驗公式為：

　　實際采用的梁高，應介于建筑高度和最小高度之間，并接近經(jīng)濟高度。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：腹板厚度應滿足抗剪強度的要求。初選截面時，可近似的假定最大剪應力為腹板平均剪應力的1.2倍，根據(jù)腹板的抗剪強度計算公式：

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

　　式(15)中，和的單位均為mm。實際采用的腹板厚度應考慮鋼板的現(xiàn)有規(guī)格，一般為2mm的倍數(shù)。對于非吊車梁，腹板厚度取值宜比式(15)的計算值略小;對考慮腹板屈曲后強度的梁，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，當厚度過大時，可采用雙層板。確定翼緣板的尺寸時，應注意滿足局部穩(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(彈性設計)或13(考慮塑性發(fā)展)。選擇翼緣尺寸時，同樣應符合鋼板規(guī)格，寬度取10mm的倍數(shù)，厚度取2mm的倍數(shù)。

　　2.截面驗算分析

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

　　(1)彎曲強度

　　①彈性工作階段：當彎矩M較小時，截面上的彎曲應力呈三角形直線分布，其外緣纖維最大應力為σ=M/Wn。這個階段可以持續(xù)到σ達到屈服點fy，此時梁截面的彎矩達到彈性極限彎矩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，截面外緣部分進入塑性狀態(tài)，中央部分仍保持彈性。截面彎曲應力呈折線分布，隨著彎矩增大，塑性區(qū)逐漸向截面中央擴展，中央彈性區(qū)相應逐漸減小。

　　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，截面全部進入塑性狀態(tài)，即達到塑性工作階段，此時梁截面應力呈兩個矩形分布彎矩達到最大極限，稱為塑性彎矩MP。

　　(2)彎曲剪應力計算

　　根據(jù)材料力學開口截面的剪應力計算公式，梁的抗剪強度或剪應力按下式計算：

　　式中：Vy——計算截面沿腹板平面作用的剪力;Sx——計算剪應力處以上或以下毛截面對中和軸的面積矩;Ix——毛截面慣性矩;t——計算點處板件的厚度;fv——鋼材抗剪設計強度。