能否通过设置横向加劲肋来提高钢梁的整体稳定性？

众所周知，开口薄壁截面的抗扭性能差，因此在实际工程中易发生整体弯扭失稳或者畸变屈曲。小编在《同样是负弯矩区失稳，轻钢屋面梁和楼面梁有何不同？》中，针对轻钢屋面梁和楼面梁的失稳模式进行过说明，并且指出横向加劲肋对防止楼面梁的畸变屈曲是有效的，但对于防止轻钢屋面梁的整体弯扭屈曲是无效的。但是，目前依然有许多设计人员并未充分理解两者的机理，比如不久前在某土木类知名公众号组织的直播节目中，邀请的某钢结构专家认为轻钢屋面梁也可以采用设置横向加劲肋的方法代替负弯矩区的隅撑，依据是GB50017的6.2.7-3条允许采用设置横向加劲肋代替隅撑来防止负弯矩区发生失稳，并且呼吁设计人员在实际工程中推广此做法。显然，这位专家混淆了钢梁的整体失稳和畸变屈曲，如果真有设计人员将此专家的建议应用于实际工程可能带来严重的安全隐患。

那么，设置横向加劲肋对于提高工字形截面梁的整体稳定性的作用到底如何？

钢梁整体稳定性的影响因素

从简支梁的整体稳定性临界荷载计算公式可以看出：

除了长度和荷载作用方式外，钢梁的临界弯矩与截面的绕弱轴弯曲刚度EI_y和扭转刚度GI_k和EI_w相关。因此，设置横向加劲肋是否能够提高钢梁的稳定性，需要考察是否可以提高截面的这三个截面刚度。

对钢梁扭转刚度的影响

根据横向加劲肋的特性，首先可以排除对截面绕弱轴的弯曲刚度和自由扭转刚度的提高作用，因此只需考察其对于截面翘曲刚度的影响。

对于工字形截面来说，翘曲变形可以看作为截面上下翼缘绕截面弱轴相反方向的弯曲变形。因此，在截面的翘曲变形过程中，布置于横截面上的横向加劲肋需要依靠厚度方向的弯曲变形和截面的扭转变形来为截面提供约束作用。由于对于薄板来说，厚度方向的弯曲刚度和截面扭转刚度是非常小的，因此可以推断对于工字形截面的翘曲约束作用也是非常有限的。

下面通过算例进行说明和验证。两端简支工字形梁，截面I为H600x200x8/12和截面II为H600x400x8/16，长度为12m，跨中截面在上下翼缘作用一对大小为1kN的力偶。横向加劲肋双侧布置，与梁翼缘同宽，厚度与梁腹板相同8mm。

计算中取加劲肋的间距为600mm（1倍梁高）到12m（仅两端截面设置加劲肋），通过比较钢梁跨中截面的转角来考察钢梁扭转刚度的变化，结果如图3所示。

图3中，纵坐标为设置横向加劲肋后的钢梁扭转刚度与未设置加劲肋钢梁的扭转刚度比值。从图3中可以看出，即使按照1倍梁高设置横向加劲肋，两钢梁的扭转刚度也仅能够提高约10%和6%。当横向加劲肋间隔为3m时（5个），提高比例小于3%。

对钢梁整体稳定性的影响

下面对横向加劲肋对简支钢梁整体稳定性的影响进行分析，采用与上文同样的算例，荷载为作用于截面形心的均布荷载。通过有限元屈曲分析，得到的屈曲模态和临界荷载比值如图5和图6。

从图5可以看出，横向加劲肋对钢梁临界弯矩的提高作用非常小，当横向加劲肋间距为600mm时，两种截面钢梁的提高比例为6%和5%，当间距大于3m时，提高比例小于1%。

本文的小结

通过本文的分析，可以得到下面几点：

（1）轻钢屋面梁是整体弯扭失稳，与通常楼面梁存在本质区别，从理论上不可通过设置横向加劲肋来防止整体弯扭失稳的发生；

（2）设置横向加劲肋对于提高钢梁的扭转刚度作用非常小，这是由于加劲肋绕板厚的弯曲刚度和截面扭转刚度非常小；

（3）设置横向加劲肋对于提高钢梁的整体稳定性作用基本可以忽略。