蜂窩梁在大跨度結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

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摘要：結(jié)合蜂窩梁的特點(diǎn)，針對(duì)其受力性能進(jìn)行分析與計(jì)算以及在實(shí)際大跨度結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)計(jì)算，通過蜂窩梁與其他種類梁方案的比較得出，蜂窩梁是一種截面小、承載力大、制作簡(jiǎn)單和施工周期短的新型梁，應(yīng)用在實(shí)際大跨度結(jié)構(gòu)工程中可以減少建筑層高，從整體上節(jié)約建筑造價(jià)。

關(guān)鍵詞：蜂窩梁；受力性能；大跨度結(jié)構(gòu)；建筑造價(jià)

近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新型建筑體系———鋼結(jié)構(gòu)建筑得到大力發(fā)展，但是總體形勢(shì)還是落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。對(duì)于我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的一個(gè)主要限制因素就是造價(jià)問題。要促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)的發(fā)展，就需要科技工作者努力探索和尋求節(jié)約鋼材的理論和方式，達(dá)到降低鋼結(jié)構(gòu)建筑造價(jià)的目的。從利用梁的受力特性考慮設(shè)計(jì)梁的截面結(jié)構(gòu)，近年來應(yīng)用較多。研究表明，在相同的承載條件下，與實(shí)腹梁相比，設(shè)計(jì)和使用蜂窩梁可減少鋼材使用量達(dá)到總耗量的25%~30%，同時(shí)節(jié)省油漆和運(yùn)輸安裝費(fèi)用15％~34.6％，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合我國(guó)國(guó)情，更適于在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用[1]。

1蜂窩梁的特點(diǎn)

（1）作為一種新興的鋼結(jié)構(gòu)，蜂窩梁在傳統(tǒng)鋼梁的基礎(chǔ)上，采用特定的截面形式進(jìn)行裁切，重新連接構(gòu)成一種新型的鋼梁。（2）不同的開孔截面形式和開孔數(shù)目，可以將蜂窩梁分為圓孔型蜂窩梁、橢圓孔型蜂窩梁，六角孔型蜂窩梁及八角孔型蜂窩梁等。蜂窩梁孔截面形式的不同會(huì)影響到梁的整體受力性能。現(xiàn)階段應(yīng)用較多的是六角孔蜂窩梁。

2蜂窩梁的受力性能分析方法與計(jì)算

2.1正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

蜂窩梁的實(shí)腹部分強(qiáng)度驗(yàn)算按照實(shí)腹梁來驗(yàn)算。蜂窩梁空腹部分T形截面按以下計(jì)算：2.1.1截面正應(yīng)力計(jì)算蜂窩梁的空心部分根據(jù)T形截面的正應(yīng)力進(jìn)行校核。在純彎曲梁的情況下，空心T形截面的彎曲應(yīng)力是在彎矩Mx的作用下產(chǎn)生的。如圖1（a）所示，其呈現(xiàn)矩形分布。當(dāng)蜂窩梁受剪力作用時(shí)，空心截面中的總剪力根據(jù)上下T形截面的剛度分布。每個(gè)孔的垂直中心線出現(xiàn)剪力彎矩，如圖1（b）所示[2]。規(guī)劃設(shè)計(jì)38--根據(jù)此計(jì)算式中的假定，在圖b中，b點(diǎn)和c點(diǎn)處，即在上下對(duì)稱的截面中，位于腹板角點(diǎn)處的兩點(diǎn)，是最大正應(yīng)力的作用點(diǎn)。根據(jù)以上討論，危險(xiǎn)截面一般與彎矩最大的斷面或剪力最大的斷面不重合。

2.2剛度驗(yàn)算

由于蜂窩梁中腹板開孔的性質(zhì)，腹板的剪切變形較大，因此在計(jì)算蜂窩梁的撓度時(shí)，剪切變形的影響非常重要。剪力會(huì)造成兩個(gè)方面的撓度，一方面撓度來自剪力引發(fā)的次彎矩，另一方面撓度來自剪力產(chǎn)生的剪切形變。

2.3穩(wěn)定性驗(yàn)算

蜂窩梁的側(cè)扭屈曲臨界彎矩可通過在平面內(nèi)增加由彎矩作用產(chǎn)生的變形而得到提高。故對(duì)蜂窩梁講，當(dāng)梁在彈性范圍內(nèi)工作時(shí)，不考慮彎矩作用平面內(nèi)的變形，可借助實(shí)腹鋼梁整體穩(wěn)定性公式，計(jì)算得到的蜂窩梁臨界彎矩是偏于安全的。故現(xiàn)階段對(duì)于蜂窩梁的整體穩(wěn)定性計(jì)算是參照實(shí)腹梁的穩(wěn)定性計(jì)算原則，并作修正，計(jì)算如式（8）所示。

3蜂窩梁的應(yīng)用

以內(nèi)蒙某項(xiàng)目的總調(diào)度樓為實(shí)例說明。本工程抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。該結(jié)構(gòu)框架，共2層，長(zhǎng)57.8m，寬21m，控制中心上部為局部大空間，長(zhǎng)36m，寬18m。

3.1當(dāng)量實(shí)腹梁截面估算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄A的規(guī)定，樓蓋主梁的撓度允許值為［v］=17560×（1/400）=43.9mm，其撓度增大系數(shù)取為η=1.4，所需當(dāng)量實(shí)腹梁的截面慣性矩為：

3.2蜂窩梁切割前型鋼截面的確定

蜂窩梁的擴(kuò)大比，一般在1.2～1.7。由上可知其切割前的高度為800～1100mm，初選H型鋼尺寸為H900×300×16×28。

3.3蜂窩梁孔型尺寸的確定及限值

蜂窩梁采用六角形如圖2所示，則其相應(yīng)的尺寸為：

3.4蜂窩梁的計(jì)算結(jié)果

在不同的擴(kuò)大比下，蜂窩梁的計(jì)算結(jié)果見表1。通過表1可發(fā)現(xiàn)，隨著擴(kuò)大比的增大，孔洞橋址處T形截面的最大應(yīng)力逐漸增大，鋼材的性能越能充分的發(fā)揮。擴(kuò)大比在1.5附近，蜂窩梁的撓度為最小，此時(shí)的應(yīng)力比為0.78，此時(shí)的蜂窩梁有將近20%的富余量，因此擴(kuò)大比在1.5附近時(shí)最為合理。

3.5蜂窩梁的構(gòu)造要求

（1）在有開孔的翼板處，無論上下，均不應(yīng)有集中荷載作用；如果這種情況無法回避，可以直接填充和密封腹板上的孔洞，將該處深化為實(shí)腹梁。（2）當(dāng)蜂窩梁的實(shí)心腹板部分有集中載荷時(shí)，其結(jié)構(gòu)要求可與典型的實(shí)心腹板梁相同。即添加加勁肋。如不能設(shè)置加勁肋時(shí)，需要對(duì)有集中荷載作用的腹板進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

4蜂窩梁與其他方案的比較

（1）與混凝土梁相比：蜂窩梁截面小，自重輕，因?yàn)樵诜涓C梁上做壓型鋼板組合樓板，一方面可以不用支模板，施工簡(jiǎn)單，周期縮短，另一方面可以使整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，大大增加其抗震性能。（2）與實(shí)腹鋼梁相比：在承載力相同的情況下，蜂窩梁比實(shí)腹梁相比，節(jié)省鋼材0.92t，約占17.7%。同樣在吊頂時(shí)不需用再預(yù)留其他空間。（3）與桁架相比：桁架制作復(fù)雜，施工周期長(zhǎng)，防腐除銹費(fèi)用較高，而且桁架一般適用于較大跨度（18~36m），對(duì)于本工程來說，如果用18m跨桁架，由于鋼屋架一般比較高，18m跨最高處達(dá)2.9m，采用鋼屋架勢(shì)必會(huì)增加層高，這一般是工程所不允許的。

5蜂窩梁應(yīng)用總結(jié)

（1）蜂窩梁截面小，承載力大，制作簡(jiǎn)單，施工周期短，腹板處的孔洞允許管道系統(tǒng)與設(shè)備穿過，可以降低建筑層高，大大降低建筑造價(jià)。（2）在有局部大空間的混凝土框架結(jié)構(gòu)中，完全可以用蜂窩梁替代混凝土梁。（3）通過幾個(gè)工程的設(shè)計(jì)，對(duì)于20m跨度以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，蜂窩梁都可以使用，達(dá)到一定的經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李鵬飛.蜂窩梁的力學(xué)行為研究[D].石家莊：石家莊鐵道學(xué)院.2008.

[2]蘇仁權(quán)，許繼祥，董偉娜.蜂窩梁受力性能數(shù)值分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，31（5）：107-112.

[3]柴昶，宋曼華.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者：王燕玲 單位：山西工程職業(yè)學(xué)院