魏 樂(lè)

(大同市二院建筑設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西大同 037005)

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目現(xiàn)狀

大同市新成特炭有限公司成立于2007年8月，位于山西省大同市新榮區(qū)花園屯鄉(xiāng)工業(yè)園區(qū)。目前公司總資產(chǎn)3.2億元，擁有壓型、一次焙燒、浸漬、隧道窯、石墨化、機(jī)加工、包裝等炭素制品生產(chǎn)的全部工藝配套車間，產(chǎn)品年綜合生產(chǎn)能力已達(dá)2萬(wàn)t，是國(guó)內(nèi)最大的特炭生產(chǎn)基地。公司產(chǎn)品遠(yuǎn)銷歐、美、日、德等國(guó)家，是大同市出口創(chuàng)匯的骨干企業(yè)。大同市新成特炭有限公司在生產(chǎn)特種細(xì)顆粒炭素石墨制品的實(shí)踐中，已摸索出一套成熟的技術(shù)制造工藝，并且在生產(chǎn)實(shí)踐中自主研發(fā)和研制出了多項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)設(shè)備。公司細(xì)顆粒特種石墨產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)均勻、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、抗氧化性強(qiáng)、抗?jié)B透性強(qiáng)、氣孔率低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、耐火、化工、電子、精密儀器鑄造、太陽(yáng)能熱發(fā)電儲(chǔ)熱材料、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)拉制單晶硅用石墨熱場(chǎng)等領(lǐng)域，是現(xiàn)代化工業(yè)、高新技術(shù)發(fā)展及新能源開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)業(yè)必不可少的非金屬材料，具有其他產(chǎn)品不可替代的作用。2010年公司被省科技廳、財(cái)政廳、國(guó)家稅務(wù)局和地方稅務(wù)局認(rèn)定為“高新技術(shù)企業(yè)”。為我國(guó)精密儀器鑄造、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)、太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展提供新材料技術(shù)支撐。由于科學(xué)的飛速進(jìn)步與工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)現(xiàn)代材料的種類及性能不斷提出新的要求，其中硅制品在現(xiàn)代材料領(lǐng)域中所占比例尤為突出，特別是在現(xiàn)代光伏產(chǎn)業(yè)，電子半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及有機(jī)化制造領(lǐng)域，各種硅制品硅材料已是必不可少的最基本也是最基礎(chǔ)的生產(chǎn)原料。

鑒于硅制品在新興材料領(lǐng)域的重要性和廣泛性，20世紀(jì)60年代以來(lái)世界上的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)自己的硅工業(yè)的發(fā)展與產(chǎn)量都十分重視，并在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)對(duì)多晶硅、單晶硅、有機(jī)硅的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)加以壟斷和封鎖。在硅產(chǎn)業(yè)鏈條的整體環(huán)節(jié)中，可以看出多晶硅生產(chǎn)正處于承上啟下的產(chǎn)業(yè)位置，在多晶硅生產(chǎn)中盡管我國(guó)的技術(shù)與裝備都已處于世界先進(jìn)水平，但我國(guó)的多晶硅制品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的價(jià)格都缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，其中關(guān)鍵性的原因之一就是:鑄錠槽所用的石墨材料確實(shí)需要國(guó)外進(jìn)口。其主要原因是我國(guó)的炭素制造產(chǎn)業(yè)未能與多晶硅產(chǎn)業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)日益大型化而同步發(fā)展，其目前的產(chǎn)品無(wú)法滿足多晶硅鑄錠槽在使用中對(duì)炭素材料的大容量、抗氧化、抗高溫、抗強(qiáng)性能諸方面的特殊要求，所以如何解決多晶硅石墨鑄錠槽的國(guó)產(chǎn)化，并且通過(guò)使用國(guó)產(chǎn)石墨材料來(lái)降低多晶硅的制造成本，是本項(xiàng)目的實(shí)施原因。本著實(shí)業(yè)強(qiáng)國(guó)的理念，建設(shè)10 000 t/年產(chǎn)量的多晶硅鑄錠槽生產(chǎn)線的項(xiàng)目被提到了日程。

1.2 項(xiàng)目特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求

由于工藝的要求，該項(xiàng)目生產(chǎn)車間的跨度為46 m，是典型的大跨度單層鋼結(jié)構(gòu)廠房。在初步設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于屋架的設(shè)計(jì)方案有兩個(gè)選擇:桁架、蜂窩梁，由于設(shè)計(jì)和施工周期都比較緊張，考慮桁架加工工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)，最終蜂窩梁以節(jié)約鋼材、制作簡(jiǎn)易、防腐性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)成為了業(yè)主的選擇。

實(shí)際上，我們結(jié)構(gòu)常用的計(jì)算軟件PKPM目前已經(jīng)具備計(jì)算蜂窩梁構(gòu)件的功能，這給本來(lái)非常復(fù)雜的蜂窩梁設(shè)計(jì)帶來(lái)了便利，但為了保證計(jì)算的精準(zhǔn)性，筆者參照了相關(guān)資料，同時(shí)進(jìn)行了蜂窩梁的手算，本文就以筆者在新成特炭項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)情況，來(lái)闡述大跨度工業(yè)廠房六邊形蜂窩梁的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

2 當(dāng)前工業(yè)廠房中蜂窩梁技術(shù)應(yīng)用情況

自從1987年引入蜂窩梁的概念之后，它們已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展史上最重要的一個(gè)里程碑，它已經(jīng)被用在了將近二十幾個(gè)國(guó)家的6 500多個(gè)大型項(xiàng)目上，是國(guó)外房屋建筑中常見(jiàn)的一種構(gòu)件形式，特別是在大跨度結(jié)構(gòu)中的使用率更高。近年來(lái)，蜂窩梁在我國(guó)大跨度工業(yè)廠房領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

蜂窩梁通常是在H形鋼腹板上按折線進(jìn)行切割，最常見(jiàn)的是六邊形，當(dāng)然也可以做成圓孔形，方孔形和折線形等等。很多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多數(shù)采用的是六邊形孔蜂窩梁。故本文僅限于討論六邊形蜂窩梁的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

3 蜂窩梁的特點(diǎn)及關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分

蜂窩梁具有節(jié)省鋼材、抗彎能力強(qiáng)、蜂窩孔便于管道、管線等直接從孔洞通過(guò)，減少了預(yù)埋件的使用等特點(diǎn)，另外其蜂窩孔的空透式的布置也獲得了很好的視覺(jué)效果。錯(cuò)開(kāi)相焊后就大大的增大了鋼梁的高度，從而就增大了截面的慣性矩和抵抗矩，并提高了梁的剛度和強(qiáng)度，這樣就可以充分利用鋼材的有效率。尤其是對(duì)大跨度的工業(yè)廠房，在超越普通輕鋼門(mén)式鋼架的設(shè)計(jì)范圍之后，蜂窩梁屋架的成本比相同跨度的桁架減少40%之多，這就更突顯出了蜂窩梁的優(yōu)勢(shì)，非常受業(yè)主歡迎。在蜂窩梁中，有個(gè)非常重要的參數(shù):擴(kuò)張比K=H/h，其中，H為蜂窩梁的截面高度;h為原型工字形鋼梁的高度。擴(kuò)張比越大，相應(yīng)的蜂窩梁的高度就越高，但蜂窩梁的承載力并不完全成正比，當(dāng)擴(kuò)張比增大到某一特定值時(shí)，由于空腹處凈截面面積的相應(yīng)減少，剪力產(chǎn)生的次彎矩影響就相應(yīng)的增大，從而導(dǎo)致承載力降低。在一般的設(shè)計(jì)中，擴(kuò)張比一般在1.2～1.7之間，常用的擴(kuò)張比一般為1.5。

4 蜂窩梁的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

圖1中所示的算例蜂窩梁為生產(chǎn)車間的屋架梁形式，根據(jù)工藝要求，綜合考慮10 kN/m的恒載，5 kN/m的活載，蜂窩梁跨度為23 m，所采用的蜂窩梁截面見(jiàn)圖1。

圖1 車間的蜂窩梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

蜂窩梁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)主要包括:正應(yīng)力驗(yàn)算、剪應(yīng)力驗(yàn)算以及折算應(yīng)力驗(yàn)算。

4.1 蜂窩梁的截面正應(yīng)力計(jì)算

在彎矩作用下，應(yīng)力在上下兩個(gè)T形截面上均勻的分布，但方向相反，帶孔截面處的T形截面部分按常規(guī)的框架梁考慮，由于蜂窩梁上下T形截面相同，所以蜂窩梁的實(shí)腹與空腹截面的正應(yīng)力計(jì)算可以用普通材料力學(xué)公式考慮。

圖2中1—1截面的正應(yīng)力僅由彎矩引起，計(jì)算公式為:

其中，W為計(jì)算截面的截面抵抗矩。

圖2 蜂窩梁正應(yīng)力的計(jì)算簡(jiǎn)圖

實(shí)腹截面3—3的正應(yīng)力計(jì)算，雖然也是僅由彎矩引起，但考慮到截面的非平面變形，按下式計(jì)算:

其中，W為實(shí)腹截面的截面抵抗矩。

圖2中2—2和4—4截面的正應(yīng)力包括彎矩引起的和剪力彎矩引起的正應(yīng)力(σM，σV)兩部分，按下式計(jì)算:

其中，WT為T(mén)形梁截面腹板邊緣處的凈截面抵抗矩;l1為空腹處水平段的長(zhǎng)度。按我們的假定，最大正應(yīng)力必定發(fā)生在蜂窩梁T形截面部分兩端的腹板孔角點(diǎn)上，就是圖2中的2—2和4—4截面處，各個(gè)截面的正應(yīng)力分布如圖3所示。

由上述材料力學(xué)得出的最大墩處實(shí)腹截面的強(qiáng)度和孔洞橋址處T形截面的強(qiáng)度比PKPM計(jì)算結(jié)果略大，誤差在5%之內(nèi)。

4.2 蜂窩梁的剪應(yīng)力計(jì)算

在均布荷載作用下，由于腹板面積有較大的削弱，剪力的影響會(huì)相對(duì)突出，通?？缰械募袅^小;支座處的剪力較大，由于孔洞做得較小，而實(shí)腹處較大，這樣會(huì)降低剪力引起的應(yīng)力。抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)包括蜂窩梁的實(shí)腹截面和空腹截面的豎向剪應(yīng)力設(shè)計(jì)，本文僅就實(shí)腹截面處的剪應(yīng)力設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖4中1—1實(shí)腹截面處的剪應(yīng)力τ11應(yīng)根據(jù)腹板的凈截面面積驗(yàn)算:

其中，ST為T(mén)形截面的面積矩，當(dāng)形心位于腹板內(nèi)時(shí)，取中性軸上部面積對(duì)中性軸的面積矩;當(dāng)形心位于翼緣內(nèi)時(shí)，取腹板自由端至翼緣內(nèi)表面之間的腹板面積對(duì)形心軸的面積矩;IT為橋截面的毛截面慣性矩;tw為腹板厚度;fv為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

圖4 車間蜂窩梁剪應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖

本文對(duì)空腹截面2—2處的豎向剪應(yīng)力設(shè)計(jì)，不做詳細(xì)介紹。

4.3 蜂窩梁的折算應(yīng)力計(jì)算

對(duì)于蜂窩梁的實(shí)腹截面，若同時(shí)受較大的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力，還應(yīng)驗(yàn)算其折算應(yīng)力:

其中，σ，τ，σc分別為腹板計(jì)算高度邊緣同一點(diǎn)上同時(shí)產(chǎn)生的正應(yīng)力、剪應(yīng)力和局部壓應(yīng)力。

之所以σ采用上式所示，是因?yàn)榭紤]了塑性因素，其中y1為計(jì)算點(diǎn)至梁中和軸的距離;β1為在邊緣處已發(fā)生部分的塑性變形，故乘以放大系數(shù)來(lái)體現(xiàn)塑性效應(yīng)的有利作用，當(dāng)σ與σc異號(hào)時(shí)取 β1=1.2，當(dāng) σ 與 σc同號(hào)或者 σ =0 時(shí)取 β1=1.1。

對(duì)于蜂窩梁的空腹截面，應(yīng)盡量避免局部壓應(yīng)力，當(dāng)空腹截面同時(shí)承受較大的剪應(yīng)力和正應(yīng)力時(shí)，也需驗(yàn)算其折算應(yīng)力:

對(duì)于空腹截面處，我們?nèi)【植繅簯?yīng)力為零，故取β1=1.1。

5 撓度驗(yàn)算

在一般的實(shí)腹鋼梁中，剪力對(duì)梁的撓曲變形影響是很小的，所以一般忽略不計(jì)，但是蜂窩梁中則不同，剪力的影響并不能忽略，因?yàn)榧袅?huì)造成T形截面的次彎矩產(chǎn)生撓度，另外剪力造成的剪切變形也會(huì)產(chǎn)生撓度，撓度的精確計(jì)算比較復(fù)雜，多數(shù)國(guó)家目前均采用估算的方法，由于增大系數(shù)是固定的，所以有較大的局限性，有時(shí)造成的誤差也很大。我們國(guó)家的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件PKPM也是通過(guò)乘以撓度增大系數(shù)η來(lái)得以實(shí)現(xiàn)的，不過(guò)PKPM的撓度系數(shù)并不是固定值，它受擴(kuò)張比、跨高比、孔形以及截面尺寸比例的影響，其中擴(kuò)張比和跨高比是影響撓度增大系數(shù)的兩個(gè)主要因素。筆者計(jì)算的蜂窩梁的跨高比λ=19.16，撓度系數(shù)為η=1.764，因撓度增大系數(shù)的得出需要與試驗(yàn)結(jié)合，比較復(fù)雜，本文暫不討論。

6 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了新成特炭廠采用蜂窩梁的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，在設(shè)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn):在彎剪共同作用下，由于剪力次彎矩的影響，蜂窩梁截面的正應(yīng)力與實(shí)腹梁不同，最大正應(yīng)力發(fā)生在蜂窩孔洞邊，離支座最近的孔洞正應(yīng)力也可能達(dá)到最大值，對(duì)端孔設(shè)計(jì)應(yīng)給予重視。

蜂窩梁的截面形式合理，抗彎剛度大，承載力高和經(jīng)濟(jì)效益顯著，已經(jīng)很廣泛地應(yīng)用于大跨度廠房等工程中。一些發(fā)達(dá)國(guó)家早就制定了相應(yīng)的規(guī)范和圖集。我國(guó)在2006年包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究院出版的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算》第2版，就已經(jīng)涵蓋了關(guān)于蜂窩梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算的內(nèi)容，目前我國(guó)關(guān)于蜂窩梁的規(guī)范制定，正在緊鑼密鼓的進(jìn)行中，希望很快就能出版應(yīng)用，使這種新型的鋼結(jié)構(gòu)形式可以得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理［M］.第2版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994.

［2］包頭鋼鐵設(shè)計(jì)研究院.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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