蜂窩梁在大跨度結(jié)構(gòu)中的設(shè)計與應(yīng)用

王燕玲

（山西工程職業(yè)學院，山西 曲沃 030000）

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展， 新型建筑體系——鋼結(jié)構(gòu)建筑得到大力發(fā)展， 但是總體形勢還是落后于發(fā)達國家。 對于我國鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的一個主要限制因素就是造價問題。 要促進鋼結(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， 達到降低鋼結(jié)構(gòu)建筑造價的目的。

從利用梁的受力特性考慮設(shè)計梁的截面結(jié)構(gòu)，近年來應(yīng)用較多。 研究表明，在相同的承載條件下，與實腹梁相比，設(shè)計和使用蜂窩梁可減少鋼材使用量達到總耗量的25%～30%，同時節(jié)省油漆和運輸安裝費用15%～34.6%， 具有良好的經(jīng)濟效益。 結(jié)合我國國情，更適于在大跨度結(jié)構(gòu)設(shè)計中推廣應(yīng)用[1]。

1 蜂窩梁的特點

（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算

2.1 正截面強度驗算

蜂窩梁的實腹部分強度驗算按照實腹梁來驗算。 蜂窩梁空腹部分T 形截面按以下計算：

2.1.1 截面正應(yīng)力計算

蜂窩梁的空心部分根據(jù)T 形截面的正應(yīng)力進行校核。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。當蜂窩梁受剪力作用時，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

可得計算如式（1）所示。

式中V 代表截面總剪力。

根據(jù)此計算式中的假定， 在圖b 中，b 點和c點處，即在上下對稱的截面中，位于腹板角點處的兩點，是最大正應(yīng)力的作用點。

對于如圖所示的上下對稱型截面，蜂窩梁的抗彎強度計算如式（2）所示。

式中：Mx、V―蜂窩梁驗算截面處產(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，危險截面一般與彎矩最大的斷面或剪力最大的斷面不重合。

當有且僅有載荷均勻地分布在簡支梁上時，在距離梁端x 附近的蜂窩孔中點處時梁的危險截面，此處截面應(yīng)采用抗彎強度Mx 和V 來校核抗彎強度。

距離x 的計算如式（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，不需要計算危險截面，通常在梁端第一個開孔處的中央、0.25 跨度處和0.5 跨度處分別進行相應(yīng)驗算[3]。

2.1.2 切應(yīng)力驗算

（1）T 形截面處的切應(yīng)力計算如式（4）所示。

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

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

若是墩心焊縫采用剖口焊縫可不比驗算。

2.2 剛度驗算

由于蜂窩梁中腹板開孔的性質(zhì)，腹板的剪切變形較大，因此在計算蜂窩梁的撓度時，剪切變形的影響非常重要。 剪力會造成兩個方面的撓度，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。

蜂窩梁的總撓度計算如式（6）所示。

這是蜂窩梁撓度計算的理論方法，在實際計算時需要求出較多參數(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。 所以通常在計算蜂窩梁的總撓度時，一般采用下列公式進行估算

式中：f—撓度擴大系數(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—實腹梁的計算撓度，該實腹梁的截面與蜂窩梁未開孔部分相同。

2.3 穩(wěn)定性驗算

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。故對蜂窩梁講，當梁在彈性范圍內(nèi)工作時，不考慮彎矩作用平面內(nèi)的變形， 可借助實腹鋼梁整體穩(wěn)定性公式，計算得到的蜂窩梁臨界彎矩是偏于安全的。故現(xiàn)階段對于蜂窩梁的整體穩(wěn)定性計算是參照實腹梁的穩(wěn)定性計算原則，并作修正，計算如式（8）所示。

式中：k 為修正系數(shù)。

蜂窩梁翼緣局部失穩(wěn)時， 可采用下列公式驗算。 因為該情況下蜂窩梁與實腹梁基本一致，所以將蜂窩梁該部分拆分成三塊進行驗算。

（1）上下翼緣外伸長度與翼緣厚度之比：

（2）實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)蒙某項目的總調(diào)度樓為實例說明。本工程抗震設(shè)防烈度為6 度， 設(shè)計基本地震加速度值0.05 g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為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 當量實腹梁截面估算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》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，所需當量實腹梁的截面慣性矩為：

按撓度技術(shù)的最小梁高：

選取當量實腹梁截面高度為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 蜂窩梁的計算結(jié)果

在不同的擴大比下，蜂窩梁的計算結(jié)果見表1。

表1 蜂窩梁計算結(jié)果

通過表1 可發(fā)現(xiàn)，隨著擴大比的增大，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。 擴大比在1.5 附近，蜂窩梁的撓度為最小，此時的應(yīng)力比為0.78，此時的蜂窩梁有將近20%的富余量，因此擴大比在1.5 附近時最為合理。

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，將該處深化為實腹梁。

（2）當蜂窩梁的實心腹板部分有集中載荷時，其結(jié)構(gòu)要求可與典型的實心腹板梁相同。 即添加加勁肋。 如不能設(shè)置加勁肋時，需要對有集中荷載作用的腹板進行承載力驗算。

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，因為在蜂窩梁上做壓型鋼板組合樓板， 一方面可以不用支模板，施工簡單，周期縮短，另一方面可以使整個屋面結(jié)構(gòu)形成一個整體，大大增加其抗震性能。

（2）與實腹鋼梁相比：在承載力相同的情況下，蜂窩梁比實腹梁相比， 節(jié)省鋼材0.92 t， 約占17.7%。 同樣在吊頂時不需用再預(yù)留其他空間。

（3）與桁架相比：桁架制作復(fù)雜，施工周期長，防腐除銹費用較高， 而且桁架一般適用于較大跨度（18～36 m），對于本工程來說，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2.9 m， 采用鋼屋架勢必會增加層高，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。

（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）通過幾個工程的設(shè)計，對于20 m 跨度以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，蜂窩梁都可以使用，達到一定的經(jīng)濟效果。