【正文】 失 穩(wěn) ； (3)框架側(cè)向位移增加過程中，雖然荷載沒有下降至極限荷載 的 85%，也沒有出現(xiàn)下降段，結(jié)構(gòu)也沒有發(fā)生整體失穩(wěn)，但是有限元非線性計(jì)算不收斂無法計(jì)算下去。試驗(yàn)中蜂窩式鋼框架試件柱腳通過螺栓固定在地面，并且使用千斤頂和分配梁進(jìn)行固定，可以視為柱腳剛接，有限元模型采用約束柱腳六個(gè)方向的自由度模擬剛接柱腳。 圖 SHELL181 單元模型 Fig Element model of SHELL181 材料屬性 本文在進(jìn)行有限元分析時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果，將鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線簡化為三折線模型形式， 選用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（ MKIN） ， 材料為各向同性 ，考慮包辛格效應(yīng) （ Bauschinger effect） ， 采用 Von Mises 屈服準(zhǔn)則及相應(yīng)的塑性流動(dòng)法則 來指明當(dāng)?shù)刃?yīng)力超過材料屈服應(yīng)力時(shí)將發(fā)生塑性變形及塑性應(yīng)變的方向。殼單元支 持線性分析、材料塑性、應(yīng)力剛化、大應(yīng)變和大變形分析，適合分析薄板、中厚板殼結(jié)構(gòu)，適合 于求解結(jié)構(gòu)的非線性問題。 建立有限元模型 單元的選取 在薄壁鋼構(gòu)件的有限元分析中，一般采用殼體單元或者三維實(shí)體單元進(jìn)行分析。采用堆 載方式在鋼板上施加荷載，模擬實(shí)際的樓面荷載，根據(jù)蜂窩梁極限承載力的 50%確定， 總豎向荷載為 47kN。為保證梁柱連接的鋼性，節(jié)點(diǎn)處焊接 邊長 90mm 三角形 隅撐。 蜂窩梁采用切割后錯(cuò)位焊接的方式制作，原型鋼 為 HW100?100?6?8，控制擴(kuò)高比為 K=。 試件材料力學(xué)模型 試驗(yàn)蜂窩式鋼框架試件采用 Q235 鋼材制作， 材料屬性試驗(yàn)試件 如圖 所示。 本文主要利用 ANSYS 中 APDL 程序設(shè)計(jì)語言編制命令流，對低周反復(fù)荷載作用下的蜂窩式鋼框架模型進(jìn)行有限元分析。本文主要采用 ANSYS 非線性有限元分析軟件進(jìn)行有限元模擬分析。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 本文研究的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下： （ 1）本文通過分析蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸產(chǎn)生位置的影響因素，首次探討利用蜂窩梁開孔造成的腹板削弱，使框架梁端塑性鉸由梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)移至蜂窩梁端第一個(gè)孔洞位置的可行性，并分析蜂窩梁的孔洞形狀、擴(kuò)高比、開孔位置等參數(shù)對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)梁端塑性鉸的影響，得出蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)基于孔型形狀和擴(kuò)高比的合理孔洞位置取值公式。 在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)之上，對兩種孔型（六邊形孔和圓形孔）的蜂窩梁實(shí)腹柱鋼框架進(jìn)行有限元模擬分析，分析孔洞形狀、擴(kuò)高比、孔洞位置等蜂窩梁參數(shù)對蜂窩式鋼框架梁端塑性鉸位置的影響規(guī)律，建立在擴(kuò)高比，孔洞形狀影響下，可利用蜂窩梁腹板孔洞使框架梁端塑性鉸外移的蜂窩式鋼 框架梁端孔洞位置的合理取值公式，并分析在此梁端孔洞位置范圍內(nèi)，蜂窩式鋼框架的抗震性能。通過前述的蜂窩構(gòu)件優(yōu)點(diǎn)可知，蜂窩式鋼框 架特別適用于多高層樓房，無大型吊車的工業(yè)廠房 和輕鋼結(jié)構(gòu)等建筑 。此種結(jié)構(gòu)形式既屬于改進(jìn)型框架節(jié)點(diǎn)，也屬于 節(jié)提出的增強(qiáng)框架延性的措施，但是，單純的將框架梁端進(jìn)行切割孔洞，不但施工較為繁瑣，也增加了建筑造價(jià)。 圖 傳統(tǒng)栓焊連接節(jié)點(diǎn) Fig Boltweld connection 通過對歷次震害的研究，國內(nèi)外推薦了各種改進(jìn)式節(jié)點(diǎn)形式，如圖 所示。可見，利用 蜂窩梁腹板孔洞形成延性框架的破壞形式，是值得應(yīng)用和推廣的。 除此翼緣削弱以外，利用蜂窩梁本身的腹板削弱，形成削弱式節(jié)點(diǎn)形式，也是一種切實(shí)可行的辦法。此種方法的原理是將梁端的翼緣進(jìn)行局部削弱，使梁端削弱處的抗彎承載力低于梁柱節(jié)點(diǎn)域和框架柱，從而使其在地震作用下先于梁柱節(jié)點(diǎn)域和框架柱屈服，形成塑性鉸，達(dá)到“強(qiáng)柱弱梁”，“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)要求。要達(dá)到此種延性鋼框架的要求，可以通過降低梁柱剛度比， 即減小框架梁剛度或增強(qiáng)框架柱剛度來實(shí)現(xiàn)，或是通過對改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)形式，人為設(shè)定塑性鉸出現(xiàn)位置來實(shí)現(xiàn)。 增強(qiáng)框架延性 延性反映了框架結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性后的變形能力。對于鋼結(jié)構(gòu)來說，節(jié)點(diǎn)破壞還包括梁柱連接焊縫破壞。當(dāng)柱端截面形成塑性鉸后，對整體框架的剛度影響很大，極易造成框架倒塌。在這種機(jī)制下，各層的層間位移變化較為均勻，可以保證在梁端截面無需太大的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，使整體框架承受較大的延性位移。這是抗震設(shè)計(jì)的基本思路，“強(qiáng)柱弱梁”、“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”則是在這種思路下的具體措施。 ―高 延性 低彈性承載力”和 ―低延性 高彈性承載力 ‖是抗震設(shè)計(jì)的兩種主要思路。影響鋼框架抗震性能的因素有很多，主要為框架柱長細(xì)比、框架柱軸壓比、梁柱板件的寬厚比、梁柱連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，隔震和消能減震措施的應(yīng)用等。 蜂窩孔洞位置，蜂窩梁的擴(kuò)高比， 蜂窩孔洞形狀等諸多參數(shù)，是對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)不同于普通鋼框架結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)在于，蜂窩孔洞對蜂窩梁乃至蜂窩式鋼框架的抗震性能影響很大。當(dāng)梁上第一個(gè)孔洞位置合適時(shí)，可以將塑性鉸由焊縫區(qū)域較集中的節(jié)點(diǎn)域轉(zhuǎn)移至梁端孔洞處，有效地提高節(jié)點(diǎn)延性和抗震性能。 在試驗(yàn)基礎(chǔ)之上，對多種蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析 ，得出蜂窩式鋼框架在擴(kuò)高比 K=~時(shí)，剛度退化較為均勻，具有良好的延性 。研究成果表明，在節(jié)點(diǎn)處腹板區(qū)域開設(shè)圓孔，當(dāng)開設(shè)位置與圓孔尺寸一定時(shí) ， 對其抗震性能影響較小。 2020 年，沈陽建筑大學(xué)耿琳 [48]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)定承載力計(jì)算的試驗(yàn)研究》 中 ，比較了 擴(kuò)高前后蜂窩式 壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定極限承載力大小，確定了 蜂窩式壓彎構(gòu)件相比實(shí)腹式壓彎構(gòu)件 極限荷載 的 提高幅度； 引用了換算長細(xì)比的概念，對格構(gòu)式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出了針對蜂窩式壓彎構(gòu)件的平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算公式。吳迪[42]、武岳 [43]研究了跨度、孔間距、開孔率等參數(shù)對圓形孔和六邊形孔蜂窩梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn) [34]、文獻(xiàn) [35]和文獻(xiàn) [36]分別分析了圓形孔和六邊形孔蜂窩梁截面應(yīng)力分布，提出了墩心截面受力區(qū)高度的計(jì)算公式；文獻(xiàn) [37]、文獻(xiàn) [38] 和文獻(xiàn) [39]提出了圓形孔、六邊形孔、橢圓形孔蜂窩梁等效抗彎剛度的計(jì)算方法，再借鑒實(shí)腹式鋼梁的整體穩(wěn)定公式和撓度計(jì)算，可以較為精確的分析蜂窩鋼梁的整體穩(wěn)定性和撓度。 1994 年和 1999 年，武漢水利電力學(xué)院徐德新 [31]、薛桂玉 [32]對蜂窩型組合梁的強(qiáng)度、撓度、孔洞的影響進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了撓度近似計(jì)算公式。雖然研究的進(jìn)度，成果落后于西方發(fā)達(dá)國家，但是在一些領(lǐng)域，我國學(xué)者進(jìn)行了許多創(chuàng)造性的研究，獲得了許多國內(nèi)外領(lǐng)先的成果。通過對比各國規(guī)范可見，蜂窩梁的應(yīng)力計(jì)算通常都采用改進(jìn)的費(fèi)氏空腹桁架法；對于蜂窩梁撓度計(jì)算，多數(shù)國家采用估算法，少數(shù)國家采用復(fù)雜的費(fèi)氏空腹桁架法；對于蜂窩梁的穩(wěn)定性，多數(shù)國家的規(guī)范近似采用實(shí)腹梁的穩(wěn)定計(jì)算公式，偏于安全的以空腹薄弱位置計(jì)算穩(wěn)定問題。 西方國家大多都將蜂窩構(gòu)件的設(shè)計(jì)納入規(guī)范。 2020 年至 2020 年， Sweedan A M I, ElSawy K M, Martini M I[21,22]利用有限元分析方法研究了蜂窩柱平面內(nèi)的穩(wěn)定性問題，提出了影響蜂窩柱平面內(nèi)穩(wěn)定性的因素，并編制了蜂窩柱屈曲荷載的計(jì)算圖表。 1996年， ， [17]通過試驗(yàn)研究梁墩腹板屈曲的影響因素。 1983 年，[15]在前人研究基礎(chǔ)之上，利用彈性與塑性的理論分析方法研究了蜂窩梁最經(jīng)濟(jì)擴(kuò)高比。 1973 年， ， [11]利用試驗(yàn)手段，研究孔洞對蜂窩梁極限承載力的影響，并且研究了在跨度、擴(kuò)高比一定的前提下，加勁肋對蜂窩梁極限承載力的影響。 1957 年， Gibsen 和 Jenkins 利用普通等截面梁等效蜂窩梁，求解蜂窩梁撓度和應(yīng)力，雖然計(jì)算較為復(fù)雜，但是結(jié)果比較精確。如何確定包括擴(kuò)高比 K（蜂窩梁擴(kuò)高后截面高度 H 與原型鋼截面高度 h 之比， K=H/h）、蜂窩孔洞位置，蜂窩孔洞形狀在內(nèi)的諸多孔洞參數(shù)對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以及在這些參數(shù)作用下，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能優(yōu)劣，是對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析和設(shè)計(jì)方法研究的關(guān)鍵 。 我國是多地震的國家，也是遭受嚴(yán)重地震震害的國家之一，有 6 度及 6 度以上地震烈度的地區(qū)約占全國總面積的 60%， 7 度及 7 度以上的城市約占全國城市總數(shù)的45%[6]。將蜂窩梁應(yīng)用于框架結(jié)構(gòu)梁，不但可以利用蜂窩梁的大跨優(yōu)勢，減少維護(hù)結(jié)構(gòu)和柱子的使用，也可以利用蜂窩孔洞穿越設(shè)備管線，從而減小結(jié)構(gòu)高度，增加可利用的建筑高度。雖然只是應(yīng)用在檁條、擋雨板等一些次要構(gòu)件之上，但是也為我國蜂窩梁的應(yīng)用和研究開創(chuàng)了先河。 finite element analysis 第一章 緒論 課題研究背景 鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越注重采用材料強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)合理、承載力大的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，蜂窩構(gòu)件正是符合這些要求的一種新型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 steel frame。 最后總結(jié)了 本文的研究成果，得到了相關(guān)結(jié)論，并提出了蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容。迄今為止，國內(nèi)外對蜂窩式鋼結(jié)構(gòu)的研究主要集中于蜂窩梁、蜂窩柱等單一構(gòu)件，對其整體抗震設(shè)計(jì)方法的研究涉及很少，沒有形成系統(tǒng)的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。采用蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)，可以減小柱子與維護(hù)材料的使用，管道由蜂窩孔洞處穿越，可以降低建筑層高。不但具有傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢，而且可以充分利用蜂窩梁 節(jié)省鋼材，自重 較輕等等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)今制約蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)發(fā)展與應(yīng)用的主要因素在于，蜂窩梁孔洞參數(shù)（包括開孔大小及孔洞位置等）對蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能影響規(guī)律尚未明確。 對單層單跨到三層三跨的蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并通過與實(shí)腹鋼框架進(jìn)行延性系數(shù)和等效粘滯阻尼系數(shù)的對比分析，評價(jià)蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)具體的抗震性能；通過框架抗震等級與延性的關(guān)系的假設(shè)，推導(dǎo)出在不同抗震等級下不同孔洞形狀的蜂窩梁擴(kuò)高比限值。s relatio nship, derived the limits of cellular beam expansion ratio under different seismic levels. Finally, this paper summarizes the results of research, draws relevant conclusions, and proposes the main content of further study which cellular steel frame structure requires. Key words: cellular beam。 seismic performance。我國對蜂窩梁的應(yīng)用較早，早在 50 年代，我國就已經(jīng)少量應(yīng)用過蜂窩梁 [3]。國外在蜂窩梁的應(yīng)用過程中，多將其應(yīng)用于多高層框架結(jié)構(gòu)梁，如日本“霞關(guān)大廈” [4]，英國“ Vulcan 大樓” [5]等。鑒于上述蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)可以更好的應(yīng)用于我國的建筑產(chǎn)業(yè)之中。蜂窩式鋼框架結(jié)構(gòu)相對于普通鋼框架結(jié)構(gòu)有其特殊性，蜂窩孔洞對框架抗震性能的影響很大。 50 年代， Allftlish 提出費(fèi)氏空腹桁架法 [7]，用來計(jì)算蜂窩梁的正應(yīng)力。 和 等先后利用有限元原理，對蜂窩梁進(jìn)行彈性分析 [10]。 1981 年， ， [14]研究了八邊形孔蜂窩梁的撓度問題，通過對八邊形孔蜂窩梁進(jìn)行試驗(yàn)和理論分析，提出了腹板高度增加對蜂窩梁剛度的影響規(guī)律，并提出了蜂窩梁最為經(jīng)濟(jì)的截面高度。試驗(yàn)結(jié)果表明，不能簡單地套用實(shí)腹梁的應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算蜂窩梁，并提出了計(jì)算蜂窩梁應(yīng)力的設(shè)計(jì)方法。 2020年， Benediktas Dervinis[20]通過研究蜂窩梁腹板高厚比對蜂窩梁承載力的影響，提出了一種合理的選擇蜂窩梁截面尺寸的方法。 2020 年， Pachpor P D、 Gupta L M 和 Deshpande N V[25]等人利用 ANSYS 分析了蜂窩梁撓度的影響因素，研究了六邊形孔的開孔率和開孔位置對其的影響。前西德和英國都制定了擴(kuò)高比 K為 。 國內(nèi) 研究現(xiàn)狀 截止目前，在蜂窩構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)分別就蜂窩梁的整體受力性能、截面應(yīng)力分布和承載能力、蜂窩式軸壓和壓彎構(gòu)件的平面內(nèi)與平面外穩(wěn)定、蜂窩梁的剛度近似計(jì)算方法、蜂窩柱的承載力分析、蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的靜力性能等方面進(jìn)行了較為廣泛的研究。 1998 年冶金工業(yè)部建筑研究總院編寫的《熱軋 H 型鋼設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊》 [30]中，包含了蜂窩梁的簡單計(jì)算公式，并編制了蜂窩構(gòu)件型號(hào)和承載力表格。 2020 年至 2020 年，中南大學(xué)周朝陽 [3439]對六邊形孔、圓形孔和修圓孔（臥式似橢圓孔）蜂窩梁的應(yīng)力分析與計(jì)算，等效抗彎剛度的計(jì)算方法進(jìn)行了一系列的分析。張卓 [41]分析了純彎狀態(tài)下蜂窩梁腹板的局部穩(wěn)定性，得出孔洞高度和寬度變化對純彎狀態(tài)下的蜂窩梁承載力的影響，并通過高厚比限值分析翼緣對開孔板約束的作用。 同年，沈陽建筑大學(xué)張麗 [47]在 碩士學(xué)位論文《 蜂窩壓彎構(gòu)件平面外的承載力計(jì)算 》中 ， 通過計(jì)算不同擴(kuò)高比的蜂窩梁彈性彎扭屈曲臨界荷載，分析 擴(kuò) 高 比 對其 彈性彎扭屈曲臨界彎矩的影響 ， 并 提出了在 純彎狀態(tài)下 的 蜂窩梁整體穩(wěn)定計(jì)算式； 對比 擴(kuò) 高前后 的蜂窩壓彎構(gòu)件彈性彎扭屈曲臨界荷載， 提出擴(kuò)高比和孔洞形狀 對其的影響，給出可應(yīng)用于 蜂窩 式 壓彎構(gòu)件平面外穩(wěn)定性計(jì)算 的計(jì)算公式 。 2020 年和 2020 年， 北京交通大學(xué)楊慶山 [5051]采用試驗(yàn)有限元相結(jié)合的方法對腹板開圓孔的 節(jié)點(diǎn)與框架 抗震性能進(jìn)行分析 。結(jié)果表明， 蜂窩式鋼框架具有良好的延性 和