蜂窝梁设计与应用

1蜂窝梁设计与应用张高峰2一．蜂窝梁简介蜂窝梁是在H型钢（工字钢等）腹板上按一定的折线进行切割后变换位置重新焊接组合而成的新型梁。34蜂窝梁的截面高度与原H型钢的截面设计H之比为扩张比，一般在1.2－1.7之间。由于扩张后增大了截面惯性矩和抵抗矩，所以显著提高了梁的刚度和强度，在梁本身自重减轻的情况下梁能承受更大的荷载，应用于更大的跨度，节省钢材、运输安装费用，有很可观的经济价值。蜂窝梁腹板的孔洞既美观又便于布设备管线，可以减少建筑层高，整体上减少建筑造价。5正是因为蜂窝梁有着许多其它受弯构件所不具备的优点，自20世纪初首次被用于工程以来，随着轧制宽翼缘钢材的出现，蜂窝梁已日渐广泛地被应用于桥梁、厂房、办公楼、轮船及吊车桥架等工程中，是很有发展前途的一种构件形式。6二．蜂窝梁强度计算国外有些规范已经列入蜂窝梁计算公式，如英国BS5950、前苏联钢结构设计规范（82）、日本钢结构协会也提供了一套蜂窝梁的简化计算公式等。目前国内已经有不少有关蜂窝梁的论文，还没有相关的规范列入蜂窝梁的计算，在实际工程中没有可以遵循的标准，给实际的设计工程带来了很多问题。71．正截面强度验算：通过能相关规范及资料的比较与研究，蜂窝梁计算理论是在以Allftlish等人提出的费氏空腹桁架法的基础上推导而来。Allftlish假定：截面保持平面变形；在剪力作用下，空腹截面处总剪力按刚度分配于上、下两个T形截面；由剪力引起的弯矩，反弯点出现在每个孔洞的垂直中心线上。8其中V为截面总剪力；9按计算的假定，最大正应力发生在蜂窝梁T形截面部分两端的腹板孔角点上，即上图中b点或c点。对于上下T形蜂窝梁，其抗弯强度的计算公式为（2）――梁T形截面的净面积――梁蜂窝孔上下两边的边长――梁T形截面的腹板边缘处的净截面抵抗矩101)T形截面处的剪应力：2．剪应力的验算：（4）――T形截面的面积矩，当形心位于腹板内时，取中性轴以上部分面积对中性轴的面积矩；当形心位于内翼缘内表面之间腹板面积对形轴的面积矩；――T形截面的惯性矩112)蜂窝梁孔之间的腹板对接焊缝的验算12三．蜂窝梁挠度及频率计算蜂窝梁的挠度计算要考虑剪力的影响，剪力一方面造成T形截面的次弯矩；一方面剪力造成较大剪切变形产生挠度，精确计算复杂，一般对于扩张比不大于1.5的蜂窝梁可在采用实腹梁的弯曲挠度乘以挠度放大系数。当扩张比大于1．5时，按下式计算△=△m+△v+△vm(4)△m一为蜂窝梁的弯曲挠度。△v一为当量实腹梁的剪切挠度。△vm一剪力次弯矩挠度值。就目前查到的文献还没有关于蜂窝梁自振频率的计算公式，有待于进一步进行研究。13四．蜂窝梁的应用多哈超高层写字楼工程中使用了简支蜂窝梁，结合工程的实际情况，在蜂窝的设计中用SAP2000的壳单元有限元方法进行分析，得到较全面的分析结果。其中一个模型如下图1：梁高h：630mm，梁宽b:300mm，上翼缘折算厚度（考虑楼板的作用）t1：55mm，上翼缘厚度t2：31mm，跨度L：14980mm，孔径D：420mm，孔间距630mm，扩张比1.5。面荷载作用于上翼缘，恒载为38.12活载35梁上作用线荷载：14模型中两端简支，上翼缘施加侧向水平约束（考虑楼板的作用）。图1计算模型151.2恒载+1.4活载下的应力图如下：图2支座附近正应力图（第一孔左下方）16图31/4跨附近正应力图（第六孔左下方）17图4跨中附近正应力图（圆孔正下方）18图5支座附近主压应力图19图6四分之一跨附近主压应力图20图7跨中附近主压应力图）21图8支座附近剪应力图（第一孔与第二孔交界处）221.0恒载+1.0活载下的挠度为49mm。自振频率为4Hz。分析结果和PKPM软件中蜂窝梁的计算结果对照如下表：程序最大正应力下边缘最大拉应力对接焊缝处最大剪应力挠度自振频率SAP2000203N/mm2148N/mm282N/mm241mm4.0HzPKPM154N/mm2154N/mm270N/mm249mm无分析两种程序的结果及其计算方式的差别可知：对于开圆孔的蜂窝梁计算最大正应力的计算结果存在一定的差别；由于其它两种应力PKPM计算出来的是某一截面的平均应力而SAP2000计算的是某一局部单元的最大应力，局部应力集中，结果比较吻合。挠度的计算PKPM计算稍大，偏于安全。23国内还没有有关蜂窝梁设计的规范或规程，而且现有资料蜂窝梁的计算也比较繁杂，设计计算时要花费很大的精力。国内外还有没有对蜂窝梁自振频率的相应计算公式，需要进一步的研究。现在版本的PKPM有关蜂窝梁的计算（依据包钢院《钢结构设计与计算》）也存在些问题（挠度的计算，圆孔蜂窝梁的计算），有待于进一步核实与改进。由于SAP2000蜂窝梁建模过程不很复杂，又比较直观地得到各个部位应力的分布，又可以得到梁的竖向振动频率及挠度，在没有比较可靠的计算软件的情况下不失为一种比较方便的方法。