王燕玲

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 曲沃 030000）

0 引言

近年來隨著我國經(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)國家。 對(duì)于我國鋼結(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)合我國國情，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?，F(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]。

圖1 蜂窩梁應(yīng)力分布

可得計(jì)算如式（1）所示。

式中V 代表截面總剪力。

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)。

對(duì)于如圖所示的上下對(duì)稱型截面，蜂窩梁的抗彎強(qiáng)度計(jì)算如式（2）所示。

式中：Mx、V―蜂窩梁驗(yàn)算截面處產(chǎn)生的彎矩和剪力；AT―梁T 形截面的凈面積；hz―橋部上下T 形截面的重心距；a―橋的跨度；WT―梁T 形截面的腹板邊緣處的凈截面模量。

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。

當(dāng)有且僅有載荷均勻地分布在簡(jiǎn)支梁上時(shí)，在距離梁端x 附近的蜂窩孔中點(diǎn)處時(shí)梁的危險(xiǎn)截面，此處截面應(yīng)采用抗彎強(qiáng)度Mx 和V 來校核抗彎強(qiáng)度。

距離x 的計(jì)算如式（3）所示：

其中l(wèi) 為蜂窩梁的跨度。

除以上荷載情況外，其他載荷形式下的梁，不需要計(jì)算危險(xiǎn)截面，通常在梁端第一個(gè)開孔處的中央、0.25 跨度處和0.5 跨度處分別進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)算[3]。

2.1.2 切應(yīng)力驗(yàn)算

（1）T 形截面處的切應(yīng)力計(jì)算如式（4）所示。

式中：ST―T 形截面的靜矩； 當(dāng)形心位于內(nèi)翼緣內(nèi)表面之間時(shí)，取腹板面積對(duì)形軸的靜矩，當(dāng)形心位于腹板內(nèi)時(shí)，取中性軸以上部分面積對(duì)中性軸的靜矩；IT―T 形截面的慣性矩。

（2）當(dāng)切應(yīng)力的作用處位于兩個(gè)相鄰的支座中兩個(gè)臨近的孔洞之間的墩腰處的焊縫上時(shí)，其計(jì)算如式（5）所示。

若是墩心焊縫采用剖口焊縫可不比驗(yàn)算。

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。

蜂窩梁的總撓度計(jì)算如式（6）所示。

這是蜂窩梁撓度計(jì)算的理論方法，在實(shí)際計(jì)算時(shí)需要求出較多參數(shù)。包含蜂窩梁上下截面的慣性矩、孔洞間腹板部分的抗彎剛度。 所以通常在計(jì)算蜂窩梁的總撓度時(shí)，一般采用下列公式進(jìn)行估算

式中：f—撓度擴(kuò)大系數(shù)， 此系數(shù)的影響因素包括：開孔截面尺寸、h/L、h/H、 荷載類型、 孔的形狀等；fSM—實(shí)腹梁的計(jì)算撓度，該實(shí)腹梁的截面與蜂窩梁未開孔部分相同。

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。

式中：k 為修正系數(shù)。

蜂窩梁翼緣局部失穩(wěn)時(shí)， 可采用下列公式驗(yàn)算。 因?yàn)樵撉闆r下蜂窩梁與實(shí)腹梁基本一致，所以將蜂窩梁該部分拆分成三塊進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）上下翼緣外伸長度與翼緣厚度之比：

（2）實(shí)腹部分截面高度與腹板厚度之比：

（3）橋部T 形截面的腹板高度與腹板厚度之比：

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0.05 g，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57.8 m，寬21 m，控制中心上部為局部大空間，長36 m，寬18 m。

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］=17 560×（1/400）=43.9 mm，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：

按撓度技術(shù)的最小梁高：

選取當(dāng)量實(shí)腹梁截面高度為1 300 mm。

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800～1 100 mm，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：

圖2 蜂窩梁的尺寸

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。

表1 蜂窩梁計(jì)算結(jié)果

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0.92 t， 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，防腐除銹費(fèi)用較高， 而且桁架一般適用于較大跨度（18～36 m），對(duì)于本工程來說，如果用18 m 跨桁架，由于鋼屋架一般比較高，18 m 跨最高處達(dá)2.9 m， 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20 m 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。