不規(guī)則開孔梁試驗(yàn)及有限元參數(shù)化分析

陳杰斌

（1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院；2.華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 引言

隨著智能化建筑的發(fā)展，建筑需鋪設(shè)管線越來越多，導(dǎo)致開孔尺寸越來越大?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[1]中對開孔梁構(gòu)造提出要求，但許多實(shí)際工程不能滿足規(guī)范要求。為此許多學(xué)者對不滿足規(guī)范的開孔梁進(jìn)行研究，研究表明在梁上開孔對鋼梁的性能有較大的影響[2-4]。

童樂為[3]通過對9m跨度的開孔型鋼梁進(jìn)行試驗(yàn)研究及數(shù)值分析，表明孔口附近的實(shí)腹截面應(yīng)力分布受到開孔的顯著影響。熊進(jìn)剛等[8]對2.5m跨度超大開孔型鋼梁進(jìn)行試驗(yàn)及有限元分析，表明開洞尺寸越大，應(yīng)力受影響區(qū)域越大。張濤[6]對跨度為13m的開孔鋼梁進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)后，使得鋼梁承載力得到提升。郭家旭[7]等對20組大跨度開孔梁進(jìn)行有限元分析，分析鋼梁的力學(xué)性能削弱問題后，給出了洞口加強(qiáng)的方案。

本文針對深圳某超高層大跨度結(jié)構(gòu)開巨型孔梁進(jìn)行試驗(yàn)及有限元分析，主要研究梁上孔徑大小不一的圓形及矩形開孔對鋼梁剛度變化及強(qiáng)度的影響。

2 試驗(yàn)研究

本文基于深圳某超高層建筑大跨度梁進(jìn)行試驗(yàn)及有限元研究，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載（樓板自重3kN/m2、架空地板及吊裝恒荷載1.3kN/m2以及樓面活荷載3.5kN/m2），樓面設(shè)計(jì)總荷載為7.8kN/m2，取中間跨梁進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)算（橫向跨度為3540mm），梁上線荷載為27.62kN/m。

鋼梁結(jié)構(gòu)尺寸和開孔布置如圖1-2所示。鋼梁截面尺寸為H900×250×16×20，加強(qiáng)板均為16mm厚鋼板，鋼材型號為Q345。

圖1 beam-1梁

3 試驗(yàn)方案

實(shí)際工程中梁上設(shè)計(jì)荷載為均布荷載，本文采用5點(diǎn)加載的方式模擬實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)研究。由于試驗(yàn)鋼梁截面高寬比較大，因而在試驗(yàn)中設(shè)置防面外失穩(wěn)側(cè)向支撐，保證在加載過程中試件能保持面內(nèi)變形，具體加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置圖

由于該大跨度鋼梁開孔于主要承受剪力的梁腹板，因而本文根據(jù)梁剪力等效原則進(jìn)行荷載設(shè)計(jì)，將均布荷載等價為5個集中荷載，梁中點(diǎn)處集中力為150kN，距中點(diǎn)兩側(cè)3m及6.6m處各布置一個80kN的加載點(diǎn)，此時可等價于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載7.8kN/m2。試驗(yàn)加載時采用3個千斤頂加載，荷載采用分級加載，每級增量為10%設(shè)計(jì)荷載，當(dāng)加載到設(shè)計(jì)荷載1.3倍時若構(gòu)件尚未破壞，則停止加載。

3.1 鋼梁剛度分析

為研究鋼梁豎向荷載剛度，測得梁上各加載點(diǎn)在1.0倍設(shè)計(jì)荷載及1.3倍設(shè)計(jì)荷載作用下的撓度如圖4所示。

圖2 beam-2梁

鋼梁跨中的荷載-撓度曲線如圖5所示。

圖5 鋼梁力-位移曲線

通過圖4-5，在1.3倍等效設(shè)計(jì)荷載下兩根梁基本保持線彈性變形，并且兩根試驗(yàn)梁的剛度相近，在設(shè)計(jì)荷載下跨中最大撓度變形約為跨度的0.17%，小于規(guī)范限值1/400；在1.3倍設(shè)計(jì)荷載下跨中最大撓度變形約為跨度的0.27%，略大于規(guī)范值1/400。

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)可計(jì)算不開孔型鋼梁在1.0倍及1.3倍的荷載下跨中撓度分別為66.3mm、86.1mm，表明開孔梁通過對孔邊加強(qiáng)鋼梁變形剛度約增加12%。

3.2 鋼梁強(qiáng)度分析

為研究梁上重要位置應(yīng)力，設(shè)置20個應(yīng)變片進(jìn)行測量。主要在梁矩形孔及圓孔周邊布置應(yīng)變片監(jiān)測開孔處應(yīng)變變化情況，并在梁端支座及加載點(diǎn)處設(shè)置應(yīng)變片監(jiān)測受集中荷載較大處應(yīng)變變化情況。

由于試驗(yàn)鋼材采用Q345鋼材，鋼梁板厚均小于40mm，因而設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy=330MPa，取鋼材彈性模量E=210GPa可由試驗(yàn)測得應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算得到梁上最大應(yīng)力如表1所示。

表1 梁上最大應(yīng)力

當(dāng)試驗(yàn)梁未開孔，則根據(jù)材料力學(xué)通過下式計(jì)算梁翼緣上最大應(yīng)力：

當(dāng)梁上荷載取設(shè)計(jì)荷載時Mx=1268.8kN·m，當(dāng)取1.3倍設(shè)計(jì)荷載時Mx=1660.0kN·m；Wx為鋼梁的凈截面模量，為6187573.3mm3。因而可計(jì)算得到1.0倍及1.3倍設(shè)計(jì)荷載下梁上的應(yīng)力分別為205.1MPa、268.3MPa。

通過理論計(jì)算及試驗(yàn)表明，型鋼梁開不規(guī)則巨型孔后，對孔邊進(jìn)行加強(qiáng)則梁上最大應(yīng)力增量小于20%，并且鋼梁強(qiáng)度能滿足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

4 有限元分析

4.1 有限元建模

本文采用ABAQUS/Standard進(jìn)行有限元分析，鋼材本構(gòu)采用雙折線模型，鋼材彈性模量取E=210GPa，屈服應(yīng)力為345MPa，極限應(yīng)力為470MPa，最大塑性應(yīng)變0.2。

鋼梁采用線性實(shí)體單元減縮積分（C3D8R單元）進(jìn)行分析，圖6為試驗(yàn)與有限元分析跨中力-位移曲線結(jié)果對比。

圖6 試驗(yàn)與有限元力-位移曲線

由圖6可知，有限元分析結(jié)果基本與試驗(yàn)結(jié)果一致，表明有限元模型受力機(jī)理基本與試驗(yàn)梁受力機(jī)理一致，因而可由有限元分析來研究開孔鋼梁受力機(jī)理并進(jìn)行參數(shù)化分析。

4.2 有限元參數(shù)化分析

為分析該型鋼梁在原始不開孔情況下以及開孔后在孔邊不加強(qiáng)情況下梁的剛度變化情況，針對同樣的梁進(jìn)行有限元分析，其跨中力-位移曲線如圖7所示

圖7 跨中力-位移曲線

不同鋼梁跨中的變形剛度如表2所示。

由表2及圖7表明，開不規(guī)則巨型孔鋼梁相對于普通未開孔鋼梁，在開孔后若不對孔邊進(jìn)行加強(qiáng)，梁跨中的變形剛度減小約13%，若對孔邊進(jìn)行加強(qiáng)措施，則梁跨中的變形剛度約增加10%。

表2 梁變形剛度

5 結(jié)語

通過對開不規(guī)則巨型孔大跨度鋼梁進(jìn)行試驗(yàn)及有限元分析，可得出以下結(jié)論：

①通過試驗(yàn)研究表明，開不規(guī)則巨型孔鋼梁通過一定程度加強(qiáng)后，可使在相同荷載下鋼梁跨中撓度相較不開孔梁減小12%，但其翼緣外側(cè)最大應(yīng)力相較未開孔梁約增加20%。因此，對于開孔梁進(jìn)行加強(qiáng)后，即使其變形剛度增加了，但梁上應(yīng)力亦有所增加，在設(shè)計(jì)中需進(jìn)行驗(yàn)算。

②對鋼梁進(jìn)行有限元參數(shù)化分析表明，開不規(guī)則巨型孔鋼梁相較普通未開孔鋼梁，開孔后若不對孔邊進(jìn)行加強(qiáng)，可使梁跨中變形剛度減小約13%；若對孔邊進(jìn)行加強(qiáng)措施，則梁跨中變形剛度約增加10%。由于通過對孔洞加強(qiáng)，增加了遠(yuǎn)離中心軸兩側(cè)鋼材面積和鋼梁的慣性矩。