【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 壓彎構(gòu)件彎矩作用平面外穩(wěn)定性的計(jì)算公式。對(duì)蜂窩式壓彎構(gòu)件局部穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行研究，考慮了翼緣的相關(guān)作用，同時(shí)考慮了腹板高厚比、翼緣和腹板厚度比、應(yīng)力比以及開(kāi)孔大小等多個(gè)參數(shù)對(duì)腹板屈曲系數(shù)的影響，得出了蜂窩構(gòu)件局部屈曲系數(shù)的變化趨勢(shì)與特點(diǎn)，提出了蜂窩構(gòu)件局部屈曲系數(shù)的設(shè)計(jì)式。2008年，進(jìn)行了蜂窩式壓彎構(gòu)件彎矩作用平面內(nèi)的試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)分析，引入了換算長(zhǎng)細(xì)比概念，對(duì)由邊緣屈服準(zhǔn)則導(dǎo)出的格構(gòu)式壓彎構(gòu)件平面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出了蜂窩式壓彎構(gòu)件強(qiáng)度承載力、剛度條件及平面內(nèi)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)計(jì)算公式。2009年，進(jìn)行了蜂窩式軸壓構(gòu)件腹板局部穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，通過(guò)試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方法，分析了簡(jiǎn)支開(kāi)孔薄板局部失穩(wěn)的破壞模式、開(kāi)孔薄板墩板和橋板的應(yīng)力狀態(tài)、開(kāi)孔薄板孔邊的應(yīng)力狀態(tài)、孔洞大小對(duì)開(kāi)孔薄板的影響以及在翼緣約束作用下蜂窩構(gòu)件腹板的穩(wěn)定問(wèn)題，并給出開(kāi)孔腹板彈性屈曲荷載的計(jì)算公式[5863]。蜂窩梁柱節(jié)點(diǎn)的研究：2009年，進(jìn)行了蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)靜力性能試驗(yàn)研究，與有限元分析相結(jié)合，分析了梁腹板分別為六邊形、圓形以及正方形的蜂窩式框架節(jié)點(diǎn)的控制參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)靜力性能的影響，得出了不同孔型的蜂窩式鋼框架節(jié)點(diǎn)控制參數(shù)的合理取值范圍。2010年，進(jìn)行了原型鋼和蜂窩節(jié)點(diǎn)共六組試件在低周往復(fù)荷載下的試驗(yàn)研究和有限元模擬，通過(guò)對(duì)其滯回曲線、骨架曲線和延性等分析，對(duì)蜂窩式鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)蜂窩梁梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)給出合理建議[6467]。蜂窩框架體系的研究：2010年，進(jìn)行了蜂窩框架結(jié)構(gòu)體系模型在低周往復(fù)荷載作用下的擬靜力試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合，對(duì)蜂窩框架體系抗震性能進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)了蜂窩式梁柱鋼框架結(jié)構(gòu)形式的延性性能和耗能能力，通過(guò)改變不同孔型和不同參數(shù)的有限元模擬分析，分析不同影響因素下的性能變化，給出了合理的設(shè)計(jì)建議[6870]。 本文的研究?jī)?nèi)容、方法及創(chuàng)新點(diǎn)本文通過(guò)有限元軟件Abaqus，對(duì)蜂窩梁和考慮混凝土組合作用下的蜂窩組合梁在豎向荷載作用下的抗剪性能進(jìn)行研究，分析了孔型、開(kāi)孔率、翼緣尺寸、混凝土板尺寸和連接程度等參數(shù)對(duì)抗剪性能的影響，具體內(nèi)容如下：(1) 建立合理的有限元計(jì)算模型，通過(guò)對(duì)國(guó)外蜂窩梁抗剪試驗(yàn)和蜂窩組合梁抗剪試驗(yàn)的計(jì)算，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，找出合理的計(jì)算方法，為下一步大量模擬提供依據(jù)。(2) 對(duì)不同孔型、不同開(kāi)孔率和不同翼緣尺寸的蜂窩梁進(jìn)行數(shù)值模擬，分析孔型對(duì)蜂窩梁抗剪性能的影響；通過(guò)變化開(kāi)孔率和翼緣尺寸，分析二者之間的相關(guān)性，找出翼緣對(duì)抗剪貢獻(xiàn)的大小和主要影響因素，通過(guò)分析給出蜂窩梁抗剪計(jì)算方法。(3) 對(duì)不同孔型蜂窩梁和考慮混凝土板組合作用下的蜂窩組合梁進(jìn)行對(duì)比，分析混凝土板對(duì)蜂窩組合梁抗剪承載力的貢獻(xiàn)；(4) 對(duì)不同混凝土板尺寸和連接程度下的蜂窩組合梁進(jìn)行數(shù)值模擬，分析混凝土板寬度和厚度對(duì)蜂窩組合梁抗剪承載力變化的影響，通過(guò)分析回歸給出無(wú)剪力連接件時(shí)的蜂窩組合梁抗剪計(jì)算公式；通過(guò)改變栓釘直徑，分析不同連接程度下蜂窩組合梁界面滑移分布規(guī)律，以及滑移對(duì)其抗剪性能的影響，給出影響程度的計(jì)算方法。(5) 分析剪跨比對(duì)蜂窩組合梁抗剪性能的影響，分析蜂窩組合梁的在彎矩和剪力共同作用下的相關(guān)性，通過(guò)數(shù)值模擬與理論計(jì)算給出蜂窩組合梁彎剪相關(guān)曲線的設(shè)計(jì)公式；改變蜂窩組合梁孔洞豎向位置，分析孔洞豎向位置對(duì)承載力的影響，找出合理的豎向孔洞位置。(6) 通過(guò)數(shù)值計(jì)算與理論分析，對(duì)蜂窩梁和蜂窩組合梁抗剪性能做出綜合性總結(jié)，對(duì)其抗剪設(shè)計(jì)提出意見(jiàn)和建議。國(guó)內(nèi)外對(duì)于蜂窩梁和蜂窩組合梁的抗剪設(shè)計(jì)，大多采用實(shí)腹梁和實(shí)腹組合梁的設(shè)計(jì)方法，在孔口處按T型截面梁進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)，按實(shí)腹梁的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，忽略了孔型和翼緣對(duì)蜂窩梁和蜂窩組合梁抗剪的影響。本文在原有實(shí)腹梁經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，將開(kāi)孔后的梁籠統(tǒng)地看成“完整”鋼梁，從宏觀的角度研究抗剪承載力，分析不同參數(shù)對(duì)其抗剪性能的影響，給出實(shí)用抗剪計(jì)算方法和彎剪相關(guān)公式，對(duì)于設(shè)計(jì)人員更方便簡(jiǎn)單。第二章 蜂窩梁及蜂窩組合梁基本理論與設(shè)計(jì)方法 蜂窩梁及蜂窩組合梁受剪破壞形式 蜂窩梁及蜂窩組合梁由于腹板開(kāi)孔后，抗剪承載力下降，當(dāng)豎向剪力較大時(shí)，蜂窩梁及蜂窩組合梁剪切破壞先于彎曲破壞。構(gòu)件發(fā)生剪切破壞時(shí)，材料性能不能完全發(fā)揮出來(lái)，是設(shè)計(jì)中要盡量避免的。蜂窩梁及蜂窩組合梁有多種剪切破壞形式，發(fā)生哪種破壞與梁的截面尺寸、開(kāi)孔形狀和開(kāi)孔大小等都有關(guān)系。蜂窩梁剪切破壞的主要形式有：(1) 最薄弱截面剪切破壞 這種破壞形式主要發(fā)生在圓形孔蜂窩和開(kāi)孔率較小的其他孔型蜂窩梁中。對(duì)于圓形孔蜂窩梁，梁橋處腹板從兩側(cè)向中間均勻減小，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到緩解，梁橋兩側(cè)腹板面積增大，可以有效的抵抗剪力次彎矩的作用。因此，圓孔蜂窩梁剪切破壞一般發(fā)生在最薄弱截面；開(kāi)孔率較小的其他孔型蜂窩梁由于梁橋長(zhǎng)度短，剪力引起的次彎矩較小，產(chǎn)生的影響不足以與截面剪力相比，此時(shí)也以最薄弱截面剪切破壞為主。(2) 空腹剪切破壞機(jī)制隨著開(kāi)孔率的增大，當(dāng)梁橋達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，在剪力和剪力次彎矩的作用下，蜂窩梁孔角首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，隨著剪力和剪力次彎矩的增加，屈服延伸，屈服面積變大，孔洞發(fā)生剪切變形，呈平行四邊形。當(dāng)孔角全截面進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)，此時(shí)孔洞失去抗剪承載能力，發(fā)生剪切破壞，這種破壞形式與空腹桁架相似，被稱作空腹剪切破壞機(jī)制。 (3) 梁橋剪切屈曲作為翼緣板的簡(jiǎn)支邊，梁橋處腹板應(yīng)該具有足夠的剛度，如果梁橋處腹板的彎曲剛度較小，梁橋處腹板首先發(fā)生屈曲；如果梁橋處腹板的彎曲剛度較大，此時(shí)的屈曲模式是梁橋上方翼緣板的局部屈曲，翼緣板和梁橋處腹板之間在結(jié)構(gòu)上的相互作用很小，梁橋處腹板僅作為翼緣板的屈曲模式的波節(jié)線。因此，在設(shè)計(jì)中要保證梁橋處腹板的彎曲剛度足夠大，以保證翼緣屈曲先于梁橋處腹板剪切屈曲。(4) 梁墩剪切屈曲為了滿足一定的剛度和強(qiáng)度要求，孔洞之間腹板的尺寸應(yīng)足夠大，尺寸較小時(shí)，在剪力作用下，孔洞之間腹板發(fā)生局部屈曲。(5) 焊縫碎裂由于蜂窩梁是通過(guò)實(shí)腹梁通過(guò)腹板按一定折線切割焊接而成，上下T形截面是通過(guò)焊接連接到一起。當(dāng)水平剪應(yīng)力超過(guò)焊縫強(qiáng)度時(shí)，相鄰孔洞之間腹板的焊縫將會(huì)破裂。根據(jù)腹板孔洞切割制作工藝可知，孔洞之間腹板焊接長(zhǎng)度與切割折線有關(guān)，當(dāng)開(kāi)孔水平長(zhǎng)度較小時(shí)，相鄰孔洞之間腹板的焊縫易產(chǎn)生此種形式的破壞。蜂窩組合梁剪切破壞除了以上提到的蜂窩梁剪切破壞形式外，還主要有以下幾種破壞形式：(1) 混凝土板斷裂在剪力和剪力次彎矩作用下，孔洞發(fā)生剪切變形，孔洞變成平行四邊形，在剪力次彎矩作用下，混凝土板受拉力作用，產(chǎn)生裂縫。隨著剪力和剪力次彎矩變大，裂縫增加，最后混凝土板斷裂。(2) 混凝土板局部壓碎在局部荷載作用下，混凝土板局部被壓碎。(3) 栓釘被壓曲或剪斷蜂窩梁與混凝土板之間一般通過(guò)栓釘連接形成一個(gè)整體，在剪力作用下，界面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，混凝土與鋼梁之間的粘結(jié)作用很小，并且出現(xiàn)微小滑動(dòng)后，這種作用消失，摩擦作用幾乎可以忽略。此時(shí)，橫向剪力完全由栓釘承擔(dān)，當(dāng)剪力增大到一定程度，栓釘被剪曲或剪斷。(4) 栓釘與混凝土板接觸處混凝土被擠碎當(dāng)栓釘?shù)膭偠扰c強(qiáng)度足夠時(shí)，栓釘能完全承擔(dān)橫向剪力，隨著剪力逐漸變大，栓釘與混凝土接觸處混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度，局部混凝土被壓碎。 蜂窩梁現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法對(duì)于蜂窩梁強(qiáng)度計(jì)算方法，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的計(jì)算公式。目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的設(shè)計(jì)計(jì)算方法基本有以下幾種：(1)實(shí)腹梁計(jì)算方法：假定蜂窩梁的結(jié)構(gòu)性能和實(shí)腹梁相同，按實(shí)腹梁計(jì)算應(yīng)力的方法，通過(guò)修正系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正來(lái)考慮孔洞的影響，這種方法誤差較大；(2)費(fèi)氏空腹桁架法：把蜂窩梁看成空腹桁架，是目前應(yīng)用較多的一種方法，各國(guó)一般都在此理論基礎(chǔ)上進(jìn)行公式的修正。(3)有限元法：是通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，這種方法計(jì)算較精確，但是計(jì)算方法復(fù)雜，不便于設(shè)計(jì)人員掌握。對(duì)于實(shí)腹鋼梁的抗剪設(shè)計(jì)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB500172003)[71]對(duì)其進(jìn)行如下規(guī)定。(1) 在主平面內(nèi)受彎或受剪的實(shí)腹構(gòu)件，其抗剪強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算： ()式中：—計(jì)算截面平面內(nèi)剪力； —計(jì)算處以上毛截面對(duì)中和軸的面積距； —截面慣性矩；—腹板厚度； —鋼材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。(2) 單純受剪考慮腹板屈曲后強(qiáng)度的抗剪承載力應(yīng)按下式計(jì)算：當(dāng)時(shí)： ()當(dāng)時(shí)： ()當(dāng)時(shí)： ()式中：—用于腹板受剪計(jì)算時(shí)的通用高厚比，按下式計(jì)算。當(dāng)時(shí)： ()當(dāng)時(shí)： ()—橫向加勁肋高度與間距比值，當(dāng)僅配置支座加勁肋時(shí)，取式()、()中。(3) 彎矩、剪力共同作用時(shí)，考慮腹板屈曲后強(qiáng)度，應(yīng)按下式驗(yàn)算抗彎和抗剪承載力： () ()式中：—梁的同一截面上同時(shí)產(chǎn)生的彎矩和剪力設(shè)計(jì)值；計(jì)算時(shí)，當(dāng)，取；當(dāng)，??；—梁兩翼緣所承擔(dān)的彎矩設(shè)計(jì)值；—較大翼緣的截面積及其形心至梁中和軸的距離；—較小翼緣的截面積及其形心至梁中和軸的距離；—梁抗彎和抗剪承載力設(shè)計(jì)值。一些國(guó)家將蜂窩構(gòu)件的計(jì)算方法納入到了規(guī)范當(dāng)中，但是不同國(guó)家其計(jì)算方法有一定的區(qū)別。目前，國(guó)外計(jì)算蜂窩構(gòu)件強(qiáng)度的主要方法都是建立在空腹桁架理論的基礎(chǔ)之上，在空腹桁架理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)和改進(jìn)。按照空腹桁架理論，蜂窩梁在受力后截面符合平截面假定，孔洞處截面剪力按上下T形截面的剛度分配，剪力引起剪力次彎矩，并且反彎點(diǎn)位于梁橋中點(diǎn)位置。(1) 抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法對(duì)于抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法，各國(guó)采用的計(jì)算公式基本相同。腹板開(kāi)孔后，孔洞處抗剪承載力下降，蜂窩梁抗剪強(qiáng)度主要驗(yàn)算梁橋和梁墩焊縫的抗剪強(qiáng)度。① 梁橋抗剪強(qiáng)度對(duì)于梁橋的抗剪計(jì)算，假定上下T形截面按剛度分配截面豎向剪力，當(dāng)上下截面尺寸和材料相同時(shí)，上下T形截面平均分配，T形截面剪應(yīng)力計(jì)算按實(shí)腹方法計(jì)算： ()式中：—T形截面面積矩；—T形截面慣性矩；② 梁墩處焊縫抗剪強(qiáng)度 ，在剪力與彎矩共同作用下，梁墩對(duì)接處受剪力作用，此時(shí)需要驗(yàn)算該處焊縫的抗剪強(qiáng)度，此時(shí)焊縫承擔(dān)的剪力為： ()則，焊縫的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算公式為： () 孔洞受力簡(jiǎn)圖 Diagram for holes in the force(2) 彎剪聯(lián)合作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)蜂窩梁在彎矩和剪力共同作用下強(qiáng)度驗(yàn)算公式，各個(gè)國(guó)家采用的公式有一些區(qū)別。① 前蘇聯(lián)計(jì)算方法前蘇聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對(duì)蜂窩梁的強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行了定義，當(dāng)孔洞上下T形截面尺寸不同時(shí)，分別驗(yàn)算以下幾點(diǎn)的應(yīng)力。 計(jì)算簡(jiǎn)圖 Calculation diagram上T形截面：1點(diǎn)： ()2點(diǎn)： ()下T形截面：3點(diǎn)： ()4點(diǎn)： ()式中：—梁截面的彎矩和剪力；—上下T形截面承受的剪力，；—上下T形截面對(duì)平行于翼緣自身形心軸的慣性矩；—孔洞處截面對(duì)x軸的慣性矩；—上T形截面對(duì)平行于翼緣自身形心軸的最大、最小截面模量；—下T形截面對(duì)平行于翼緣自身形心軸的最大、最小截面模量；—上下T形截面鋼材的計(jì)算強(qiáng)度；—按計(jì)算強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)采用的抗力分項(xiàng)安全系數(shù)，； —工作條件系數(shù)，取值與構(gòu)件的工作條件有關(guān)，詳見(jiàn)前蘇聯(lián)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范表6。如果上下T形截面材料與截面尺寸相同，則任意一點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為： ()式中：—空腹截面的截面模量；—空腹截面一個(gè)T形截面的截面模量；② 日本計(jì)算方法 日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)在費(fèi)氏空腹桁架法的基礎(chǔ)上，對(duì)強(qiáng)度驗(yàn)算公式進(jìn)行了一定的改進(jìn)。他們假定彎矩在空腹截面產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力，在上下T形截面上均勻分布，這樣，在已有公式的基礎(chǔ)上，對(duì)驗(yàn)算公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，便于設(shè)計(jì)，改后的公式為： ()式中：—上下T形截面形心距離； —上下T形截面面積。如果上下T形截面材料與截面尺寸相同，則任意一點(diǎn)應(yīng)力計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為： ()③ 英國(guó)計(jì)算方法英國(guó)BS5950規(guī)范沒(méi)有給出具體的計(jì)算公式，只是按照空腹桁架理論給出計(jì)算方法。規(guī)定的空腹處彎曲正應(yīng)力計(jì)算方法與日本相似，均是按照T形截面上均勻分布，并考慮孔洞處剪力對(duì)空腹的影響。④ 德國(guó)計(jì)算方法原聯(lián)邦德國(guó)Peine salzgitfer公司規(guī)定蜂窩梁計(jì)算方法與原蘇聯(lián)基本相同，在此基礎(chǔ)上要求進(jìn)行考慮剪應(yīng)力的折算應(yīng)力驗(yàn)算，即。同時(shí)，通過(guò)圖表可以查出不同型鋼制成的蜂窩梁的彈性和塑性承載力。國(guó)內(nèi)對(duì)蜂窩梁抗剪強(qiáng)度的驗(yàn)算主要是借鑒國(guó)外計(jì)算方法或采用實(shí)腹梁抗剪計(jì)算的方法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行規(guī)定，《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ991998) [72]中對(duì)管道通過(guò)鋼梁開(kāi)孔時(shí)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了如下規(guī)定： 當(dāng)管道穿過(guò)鋼梁時(shí)，腹板中的孔口應(yīng)予以補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，彎矩可僅由翼緣承擔(dān)，剪力由孔口截面的腹板和補(bǔ)強(qiáng)板共同承擔(dān)；不應(yīng)在距梁端梁高范圍內(nèi)設(shè)孔，抗震設(shè)防的結(jié)果不應(yīng)在隅撐范圍內(nèi)設(shè)孔。同時(shí)對(duì)孔口位置、間距以及孔口大小和補(bǔ)強(qiáng)形