【正文】 ure, can reduce the use of columns and maintenance materials. Pipeline going through the cellular holes, can reduce the building storey. Visible, applied it in highrise buildings, can obtain better economic and social benefits. As a special production process, in the same flexural capacity, the cellular beam weight lighter than ordinary solid web beams, which can further reduce the seismic response. Now, the main fator of restricting cellular steel frame structure development and application is the regularity affect of cellular beam hole parameters (including the hole size and hole location, etc). on the overall seismic performance of cellular steel frame is unclear. So far, domestic and foreign researchers most are concentrated on the cellular beams, columns and other individual ponents, but research on the overall cellular framework for seismic design is little, and systematic cellular steel frame design methods hasn39。 本文在蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，利用通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析，對(duì)不同孔洞形狀，擴(kuò)高比，開孔位置的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行在低周反復(fù)荷載作用下的抗震性能分析，得出合理蜂窩梁開孔位置、擴(kuò)高比的建議取值范圍。因此，將其利用于多高層建筑中，可以取得較好的綜合效益。 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究 摘 要 ： 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)是一種將蜂窩梁與實(shí)腹柱或蜂窩柱通過焊接或螺栓連接而成的新型鋼框架結(jié)構(gòu)體系。 由于特殊的制作工藝，在相同抗彎承載力下，蜂窩梁的自重相比普通實(shí)腹鋼梁較輕，從而可以進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。具體的研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： 對(duì) 不同擴(kuò)高比和梁端孔洞位置的單層單跨蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，推導(dǎo)出能使梁端塑性鉸外移的蜂窩梁第一個(gè)孔洞位置設(shè)計(jì)公式；通過對(duì)單層單跨和三層兩跨的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，驗(yàn)證了公式的適用性；分析了滿足此公式下蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)設(shè)計(jì)提出了建議。t formed. In this paper, on the basis of steel frame structure in the cellular quasistatic test， the finite element analysis was used to do simulation analysis. And use the finite element method to anysis seismic performance of different hole shapes, expansion ratio, hole location of cellular steel frame structure under the effect of cyclic loading effects in the cyclic loading, and matain the cellular beam hole location, the expansion ratio remended value formula. Specific research content and conclusions are as follows: Simulation analysis on different expansion ratio and beam hole location of the singlelayer, singlespan cellular steel frame structure, derived design formulas of cellular beam first hole location which can make the beam plastic hinge outward moving. Through the singlelayer, singlespan and three layer, twospan cellular steel frame structure seismic performance analysis to verify the usefulness of the formula. On the basis of meeting this formula, analysis the seismic performance cellular steel frame, and put forward design suggestions. Analysis from the singlelayer, singlespan to three layer, twospan cellular steel frame structure, and parison of solidweb steel frame ductility coefficient and the equivalent viscous damping coefficient, evaluation of specific seismic performance cellular steel frame structure. Through the presume of frame shear level and ductility39。 hole location。 圖 蜂窩梁加工過程 Fig Processing of Cellular beam 蜂窩梁的孔洞形式有很多，常見的有圓形孔，六邊形孔，八邊形孔，橢圓形孔（也稱修圓形孔），矩形孔等等，其中以圓形孔和六邊形孔最為常見。然而，這些工程應(yīng)用中，都將蜂窩梁作為次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，或是 利用蜂窩梁的美觀效果和自重較輕的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于非主要受力構(gòu)件。 課題研究目的和意義 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)是將蜂窩梁與實(shí)腹柱，或蜂窩梁與蜂窩柱連接而成的鋼框架結(jié)構(gòu)體系。目前對(duì)于蜂窩構(gòu)件 和蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的研究，大多局限于靜力分析，也有少量的對(duì)蜂窩梁和蜂窩柱在低周反復(fù)荷載作用下的研究成果，但是對(duì)于蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究尚不多見。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)蜂窩構(gòu)件和蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與研究較早。 1971 年， James 利用彈性力學(xué)中的平面問題求解蜂窩梁的應(yīng)力 [9]。 1976 年， Gotoh，Keinosuke[13]分析了蜂窩孔洞形狀和大小對(duì)蜂窩梁應(yīng)力重分布的影響，并對(duì)孔洞位置應(yīng)力集中模式進(jìn)行了分析。 1985 年， ，[16]對(duì)梁墩處承受局部荷載的蜂窩梁進(jìn)行試驗(yàn)。 2020 年， [19]利用有限元分析軟件分析了蜂窩梁的非彈性扭轉(zhuǎn)問題，分析了簡(jiǎn)支蜂窩梁在受到梁端不相等的彎矩作用時(shí)，彎矩梯度 Cb 值對(duì)極限彎矩承載力的影響，并提出了可用來(lái)評(píng)價(jià) Cb 值對(duì)蜂窩梁極限彎矩影響的公式。 2020 年，Ellobody E[24]對(duì) 蜂窩梁 的極限 荷載 、 屈曲模式以及側(cè)向荷載 對(duì) 撓度曲線的 影響 進(jìn)行了分析，得出了蜂窩梁極限荷載和屈曲模式的影響因素。另外，一些國(guó)家規(guī)范（如加拿大規(guī)范CAN/）中，雖然沒有蜂窩梁的明確提法，但是對(duì)于梁腹板上開大孔的情況也作了相關(guān)規(guī)定。雖然計(jì)算方法較為簡(jiǎn)便，但是不適用于復(fù)雜的蜂窩構(gòu)件，也無(wú)法滿足現(xiàn)代化的工程需要。 80 年代，冶金部建筑研究總院和重 慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院等單位已經(jīng)進(jìn)行了蜂窩構(gòu)件的試驗(yàn)和理論分析，陳錄如 [29]在費(fèi)氏空腹桁架和西方國(guó)家規(guī)范公式基礎(chǔ)上，提出了蜂窩梁的強(qiáng)度、撓度、穩(wěn)定的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。他還提出了梁的最佳擴(kuò)張比、梁橋高度和梁墩寬度取值的建議，編制了蜂窩鋼梁的承載能力表，并且分析得出了六邊形孔和圓形孔蜂窩鋼梁應(yīng)力最大部位。 2020 年至 2020 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)張卓、吳迪、武岳、邵永波、劉洪波、謝禮立等人分別對(duì)蜂窩梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，楔形蜂窩壓彎和 懸臂構(gòu)件進(jìn)行了研究。 2020 年，沈陽(yáng)建筑大學(xué)徐曉霞 [46]在 碩士學(xué)位論文《 蜂窩式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定分析 》 中 ，通過 對(duì)實(shí)腹式與 蜂窩式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力進(jìn)行對(duì)比，提出了針對(duì)蜂窩式壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和平面內(nèi)穩(wěn)定承載力的設(shè)計(jì)方法。分析結(jié)果表明，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。 2020 年，沈陽(yáng)建筑大學(xué)孫宏達(dá) [52]在碩士學(xué)位論文《蜂窩式梁 柱鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析》中，對(duì)蜂窩式鋼框架進(jìn)行試驗(yàn)研究和模 擬分析， 分析了蜂窩式鋼框架的抗震性能指標(biāo) 。 同年， 沈陽(yáng)建筑大學(xué)李紅超 [54]在碩士學(xué)位論文《蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能研究》，通過對(duì)蜂窩式框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)研究和模擬分析，分析在擴(kuò)高比一致的前提下，梁柱第一個(gè)孔洞位置對(duì)蜂窩式框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能影響。針對(duì)蜂窩式鋼框架這種新型的結(jié)構(gòu)體系，國(guó)內(nèi)外僅有本課題組成員進(jìn)行了相關(guān)的研究。即使采用普通鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)方法，按照擴(kuò)高之前的蜂窩梁進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算，僅僅將蜂窩梁的抗彎承載力提高作為強(qiáng)度儲(chǔ)備，不但無(wú)法充分利用蜂窩梁的優(yōu)勢(shì)降低造價(jià)，還容易造成蜂窩梁抗彎強(qiáng)度過大而抗剪強(qiáng)度不足，使設(shè)計(jì)結(jié)果偏于不安全。本文即主要研究上 述參數(shù)具體的取值方法，并分析利用本文提供的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)形成的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)劣。雖然改進(jìn)的方法有很多，但是歸根結(jié)底是增強(qiáng)鋼框架的延性和耗能能力。兩種思路對(duì)應(yīng)兩種不同的設(shè)計(jì)理念，高地震烈度區(qū)域建議采用前者，低地震烈度區(qū)域建議采用后者。具體的破壞機(jī)制如圖 所示。 柱鉸機(jī)制：在地震作用下，薄弱層的框架柱柱端截面首先達(dá)到屈服，形成塑性鉸?；旌蠙C(jī)制的抗震 性能介于梁鉸機(jī)制和柱鉸機(jī)制之間，雖然中柱截面的塑性鉸對(duì)整體剛度有一定的影響，但是可以利用邊柱對(duì)剛度的貢獻(xiàn)，使結(jié)構(gòu)不致發(fā)生倒塌。 塑性鉸塑性鉸塑性鉸塑性鉸 (a) 梁鉸機(jī)制 (b) 柱鉸機(jī)制 (c) 混合機(jī)制 (d) 節(jié)點(diǎn)破 壞 圖 框架破壞機(jī)制 Fig Failure mechanism of the Frame 鑒于以上幾種破壞機(jī)制的特點(diǎn)，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外普遍控制鋼框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下形成梁鉸機(jī)制，即通過設(shè)計(jì)使框架形成“強(qiáng)柱弱梁”的抗震結(jié)構(gòu)體系，從而使剛框架結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。 增強(qiáng)框架的延性方法有很多，圖 是 美國(guó) SAC 機(jī)構(gòu) （美國(guó)北嶺地震后，由美國(guó)聯(lián)邦應(yīng)急管理局（ FEMA）組織成立的聯(lián)合研究機(jī)構(gòu)，主要成員為加州結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)（ SEAOC）、應(yīng)用技術(shù)研究會(huì)（ ATC）和加州的地震工程研究單位（ CU），因此被稱為SAC） 所推薦的延性鋼框架破壞形式 。后一種方法可以很好的實(shí)現(xiàn)地震作用下延性破壞形式，且能在滿足正常使用條件下，不致使造價(jià)提高過多?？梢?，我國(guó)建議在高設(shè)防烈度區(qū)域使用狗骨式節(jié)點(diǎn)。因?yàn)楦拱鍖?duì)蜂窩梁慣性矩貢獻(xiàn)不大，其抗彎承載力的降低并不像狗骨式一樣難以接受，并且利用蜂窩梁本身的蜂窩孔洞，不會(huì)產(chǎn)生二次加工的費(fèi)用，利于施工工廠化和機(jī)械化的要求，考慮到利用蜂窩梁所形成的優(yōu)勢(shì)，總體造價(jià)也不會(huì)有提高。圖 是傳統(tǒng)的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式，采用栓焊連接。這樣可以保證在地震作用下，框架梁的破壞位置發(fā)生于現(xiàn)場(chǎng)連接處，避免節(jié)點(diǎn) 域破壞；二是翼緣削弱式連接（骨形連接），如前文所述，使地震作用下的塑性鉸產(chǎn)生于梁端削弱處，保護(hù)梁柱連接區(qū)域；三是翼緣加強(qiáng)型連接（蓋板式連接、翼緣板式連接），此種節(jié)點(diǎn)的思路與前一種相反，通過梁柱連接部位的翼緣加強(qiáng)，可以使梁柱連接處強(qiáng)于框架梁其他部位，地震作用下，使加強(qiáng)部位不先于其他部位破壞，保護(hù)梁柱連接區(qū)域；四是梁端腹板開孔型節(jié)點(diǎn)（梁腹板開孔式連接），此種節(jié)點(diǎn)思路與第二種相仿，采用梁腹板開孔，使開孔部位抗彎承載力低于梁柱連接部位，從而在開孔處形成塑性鉸，保護(hù)梁柱連接部位。可以這樣說(shuō)，梁端形成塑性鉸是蜂窩梁本身所具有的特性之一，本文即探索利用蜂窩孔洞所形成的塑性鉸，構(gòu)成強(qiáng)柱弱梁的抗震結(jié)構(gòu)體系，并確定具體的設(shè)計(jì)方法。 (a) 蜂窩梁與實(shí)腹柱 (b) 蜂窩梁與蜂窩柱 圖 蜂窩式鋼框架 Cellular steel frame 實(shí)腹柱蜂窩梁 蜂窩柱蜂窩梁 (a) 蜂窩梁與實(shí)腹柱連接節(jié)點(diǎn) (b) 蜂窩梁與蜂窩柱連接節(jié)點(diǎn) 圖 蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)形式 Fig Frame joints of cellular steel frame 本文的研究?jī)?nèi)容、方法及創(chuàng)新點(diǎn) 主要研究?jī)?nèi)容及方法