什么是侧扭屈曲?其成因是什么?
侧扭屈曲(LTB)是无侧向约束梁在荷载作用下发生的变形,其纵轴发生偏移——包括侧向位移和扭转。
无侧向约束的钢梁是指其受压翼缘可以自由地在侧向发生移动(或位移)并发生转动的梁。如果我们将这一理论应用于简支梁,那么受压翼缘就是上翼缘。当该翼缘发生侧向偏移时,受拉翼缘会试图保持梁的平直,并由于梁的侧向弯曲而产生"恢复"力。然而,仅凭这些力无法使梁保持平直。梁抵抗侧扭屈曲的能力取决于恢复力以及受拉翼缘中拉力的侧向分量。

受压翼缘和受拉翼缘之间的相互作用迫使无侧向约束的梁发生扭转。这种抗扭转能力取决于梁截面的抗扭刚度。例如,翼缘厚度较大的梁,在相同截面高度下,比翼缘厚度较小的梁具有更大的抗扭刚度。还有其他一些截面形式也具有更强的抗扭能力(如矩形空心截面/方形空心截面),这些截面常用于需要较大跨度以承受竖向荷载的场合(例如涉及折叠门的开口部位),而这些部位容易受到平面外力效应的影响。
要了解侧扭屈曲破坏是如何发生的,请观看这段视频。
哪些因素会影响侧扭屈曲?
主要有三个因素:
- 荷载作用位置
- 弯矩分布
- 端部支承条件
荷载作用位置
侧扭屈曲的影响程度取决于荷载作用位置与梁截面剪切中心之间的距离。如果荷载作用于剪切中心之上,该截面更容易发生侧扭屈曲。如果荷载沿剪切中心作用,其影响较小;如果荷载作用于剪切中心之下,则梁几乎不会发生侧扭屈曲。
[补充说明] 剪切中心是梁截面上的一个点,作用在该点上的荷载不会引起截面扭转。它取决于截面形状。对称截面的剪切中心与形心重合,而非对称截面二者可能不重合。计算任意给定截面的剪切中心需要一定的数学运算,但幸运的是,工程师可以借助软件并查阅相关表格来获取该值!
弯矩分布
与其他弯矩分布形式相比,沿长度方向弯矩均匀分布的截面,其屈曲承载能力较低。
端部支承条件
随着端部支承约束程度的提高,梁截面抵抗侧扭屈曲的能力也随之增强。以搁置在垫石上的梁与浇筑在混凝土墙内的梁相比,后者端部的约束程度大于前者——前者可以自由转动,而后者则不能。
设计考虑因素
提供有效的侧向约束可以显著优化梁的截面尺寸。通过与混凝土楼板的组合作用可以实现完全约束,通过设置中间梁可以实现部分约束。此外,尺寸足够且布置合理的支撑也可以起到约束作用。
对于构件设计而言,以上内容都很好,但在进行节点设计时又会怎样呢?
无论是否存在侧扭约束,实际反力保持不变,但由于这种约束的存在,构件会获得额外的转动约束刚度。如果我们忽略这一点,节点设计将会偏于保守(过高估算)。
在新版本的 IDEA StatiCa(22.0 版本)中,我们引入了一项新的操作——侧向扭转约束(Lateral Torsional Restraint)——使用户能够根据需要考虑这一因素。

了解更多关于侧向扭转约束功能的信息。该操作可避免构件在节点处发生扭转,从而在保证所需安全性的同时实现更经济的设计。