钢混凝土蜂窝组合梁抗剪性能研究毕业论文

钢-混凝土蜂窝组合梁抗剪性能研究摘 要：蜂窝梁是H型钢或工字型钢腹板沿折线切割后错位焊接所形成的一种钢结构构件形式。蜂窝梁具有抗弯承载力高，利用孔洞穿越管道可以降低层高，具有较好的力学、美学和经济效益等优点，在建筑结构中通过栓钉把钢梁和混凝土楼板连接形成组合楼板，在桥梁中将主梁与桥面板连接形成钢-混凝土蜂窝组合梁，可以充分发挥钢梁与混凝土两种材料的优点。近几十年来，蜂窝钢结构从蜂窝梁、蜂窝柱单独使用向蜂窝梁-柱节点、蜂窝框架和蜂窝组合结构等多种形式转变。蜂窝结构在美国、日本以及欧洲一些国家的高层建筑，工业厂房中应用较多，并将蜂窝梁和钢-混凝土蜂窝组合梁简化计算方法纳入相应规程，但是相应计算方法并不精确，存在一定误差。我国现在尚无蜂窝梁与蜂窝组合梁的设计规范，为满足逐渐增多的工程需要，和为相应规范的推出提供参考，应对蜂窝梁及钢-混凝土蜂窝组合梁进行广泛和深入的研究。本文对蜂窝梁和钢混凝土蜂窝组合梁抗剪性能以及弯-剪共同作用下的受力性能进行了以下几方面研究：从理论上分析和论述了国外相关规范、规程以及国内相关设计方法中对蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪强度计算的规定，对比分析它们的优点和存在的不足，确定本文的研究内容。以已有的蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪实验研究为基础，利用有限元软件建立蜂窝梁和钢-混凝土蜂窝组合梁计算模型，通过承载力和荷载.位移曲线对比，验证了本文建立的有限元模型对蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪计算的有效性。分析了六边形孔、圆形孔和矩形孔蜂窝梁的孔型、开孔大小、翼缘尺寸等参数对抗剪性能的影响，对不同参数下的蜂窝梁进行抗剪承载力分析，建立了蜂窝梁抗剪强度计算公式，为工程应用提供参考。对比蜂窝梁和钢-混凝土蜂窝组合梁工作性能，分析混凝土板对蜂窝梁抗剪承载力的影响。通过不同混凝土板尺寸、不同连接程度蜂窝组合梁的计算，采用理论分析与数值拟合相结合的方法给出了考虑混凝土板作用和连接程度影响的钢-混凝土蜂窝组合梁抗剪强度计算方法。通过对钢-混凝土蜂窝组合梁在弯矩和剪力共同作用下的受力性能分析，建立了蜂窝组合梁弯-剪相关公式，为设计做指导；通过改变蜂窝组合梁孔洞竖向位置，提出受力更加合理的蜂窝组合梁新形式。关键词：蜂窝梁；钢-混凝土蜂窝组合梁；抗剪强度；弯-剪相关性；有限元AbstractCellular beam is a kind of the steel structure formed by dislocation welding after cutting along the broken line of H.steel or I.steel web. Cellular beam possesses high flexural capacity and reduces the story by crossing the pipe through the hole. It is well mechanical, aesthetical and economical. In the building structure the connected floor is formed by combining steel beams with concrete floor by stud; In bridge structure of the steel-concrete composite beam honeycomb is formed by combining the main beams with bridge deck fully exert the advantages of the both materials.Over the past decades, the application of cellular steel structure has been changed from the single use of cellular beam and cellular column to various forms, such as the beam-column connections of cellular steel frame, cellular steel frame, cellular composite structure and so on. the cellular structure has been applied in the United States, Japan and some European countries, and the calculation method of cellular beam and steel-concrete composite beam is simply established in the appropriate specifications, but the corresponding calculation method is not accurate with some certain deviation. So far, there are no design specifications of the cellular beam and cellular composite beam in China, so the extensive and deep research and study on the cellular beam and steel-concrete composite cellular beam should be done in order to satisfy the needs of gradually increasing engineering applications and provide reference for the establishment of the corresponding design specifications. In this paper, study on shear strength and mechanical performance under bending .The shear force of cellular beam and steel-concrete composite cellular beam is conducted from following aspects:It theory the overseas related specifications, procedures and the domestic relevant design method provisions on the shear strength calculation method about cellular beam and composite cellular beams are analyzed and discussed, and their advantages and deficiencies are comparatively analyzed to determine the research content of the paper. Based on the foreign scholars shear experiments researches of the cellular beam and composite cellular beam, numerical analysis is conducted with the finite element program, a calculation model of the cellular beam and steel-concrete composite beam is built. The analysis results are compared with the test results about the bearing capacity and load.displacement curve, the established finite element model on the shear strength calculation is effective.The influence of hole shape, hole size, flange size and such parameters of hexagonal.hole, circular.hole and rectangular.hole cellular beam on shear strength parameters has been analyzed, the shear strength calculation of the cellular beam has been established by analyzing the shear strength of cellular beam with different parameters which provides reference for engineering applications. The differences between cellular beam and steel-concrete composite cellular beams have been analyzed, and study on the influence of concrete slabs on shear strength of cellular beam has been done. By calculating composite cellular beams shear strength with different concrete slab sizes and different connection degrees and combining theoretical analysis with numerical fitting method, a shear strength calculation method of the steel-concrete composite cellular beams is given considering the function of concrete slabs and the effect of the connection degree.By analyzing the mechanical performance of the steel-concrete composite cellular beams under the joint force of bending and shearing the blending.shear related formula of composite cellular beams is established to instruct the design. a new form under more reasonable force is put forward by heightening the position of the vertical position of the holes in composite cellular beams. Key words: Cellular beam; Steel-concrete composite beam; Shear strength; Bend.shear correlation; Finite element第一章 绪论1.1 课题研究背景由于钢结构具有良好的力学性能，随着钢材产量、质量和品种的发展，近年来钢结构在建筑结构中应用广泛，大力发展钢结构已经成为中国工程建设中的一项重大技术政策，钢结构建筑已经成为建筑结构的主要形式之一1。近几年来，国家大力提倡低碳绿色建筑，特别是国家“十二五”规划的提出，加快了低碳绿色建筑的发展步伐。钢结构作为一种低能耗建筑材料，随着技术的发展和施工水平的提高，建筑钢结构新形式不断出现，逐渐向节约化、合理化发展，这样在保证结构的受力要求的同时也使材料得到充分利用，节约钢材。因此，钢结构的应用越来越注重采用材料强度高、结构形式经济合理、承载力大的新型结构形式。作为发展绿色建筑的一个重要突破口，大力推进绿色建筑势必带动建筑钢结构产业的发展，蜂窝构件作为一种新型的钢结构形式具有较好的发展前景。随着高层钢结构设计理论和建造技术的成熟，钢结构建筑总体造价的降低，以及国家鼓励钢结构应用的政策使得高层建筑钢结构、大跨度钢结构和轻型钢结构建筑在我国获得前所未有的发展，高层以及多层建筑、办公楼运用钢材建造主体结构也不断增加。在高层钢结构建筑中，楼层中管道的通过势必会增加层高，而现有建筑管道大多在楼层下部通过，占有一定的高度。在钢结构高层建筑中，蜂窝框架梁腹板开孔后，利用孔洞通过管道，有效的解决了管道占用楼层高度的问题。与实腹构件相比，蜂窝框架梁高度增大，抗弯承载力有很大的提高，具有较好的力学性能，适用于大跨度结构中，另外，蜂窝构件还具有自重轻、节省钢材、美观、经济效益显著等优点。在建筑结构中，通过剪力连接件将框架钢梁与混凝土楼板连接可以形成组合楼板，在桥梁结构中将钢结构主梁与混凝土桥面板连接形成钢-混凝土组合梁。近几十年来，钢-混凝土组合梁得到了广泛的应用，特别是在高层和超高层建筑、工业厂房和桥梁结构中。钢材具有抗拉和抗压强度高的优点，但是在应用中一般截面小、稳定性差，容易发生失稳破坏；混凝土具有抗压强度高的优点，但是与抗压强度相比，抗拉强度很低，较小的拉力下即产生裂缝，使其失去抗拉强度。将两种材料组合到一起，可以充分发挥钢材抗拉强度高，混凝土抗压强度高的优点。同时，通过组合作用防止钢梁整体失稳，弥补了混凝土抗拉强度低的缺点。将蜂窝梁应用到组合梁中，形成蜂窝组合梁，更能发挥其优越性。近年来，国内外将蜂窝梁和蜂窝组合梁应用于土木工程领域的实例越来越多，各国学者越来越重视对蜂窝构件的研究。国外对蜂窝构件进行了大量研究，一些国家将各自的简化计算方法纳入规范中。国内学者对蜂窝构件也进行了较多的研究，尚未形成一套完整的理论计算方法纳入到规范中，至使国内在应用蜂窝构件时，或是借鉴其他国家的简化计算方法，或是按实腹的设计方法进行设计，尚无一个相对成熟的标准来衡量设计的可靠性和经济性。对于蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪设计中，大多按实腹梁的设计方法，腹板抗剪计算采用开孔后的净截面面积。蜂窝梁和蜂窝组合梁开孔口，孔口削弱，抗剪性能受多方面因素影响，受力性能发生变化，按实腹梁设计已经不能满足设计精度要求。本课题对蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪性能进行深入分析，给出蜂窝梁和蜂窝组合梁更加精确的抗剪强度计算方法，为蜂窝构件抗剪设计提供理论指导。1.2 课题研究目的和意义对于蜂窝梁与蜂窝组合梁的研究，国内外学者研究主要对抗弯承载力、稳定和刚度上进行分析2,3，而对于蜂窝梁的抗剪性能研究较少。蜂窝梁由于腹板经过扩高后，提高了抗弯承载能力，但由于腹板削弱，抗剪承载力必将下降，而且不同孔型蜂窝梁受剪力次弯矩和应力集中的影响程度不同，因此对不同参数影响下的蜂窝梁抗剪性能研究尤为重要。中南大学罗群4指出由于梁翼缘板参加抗剪，圆孔蜂窝梁翼缘部分对纯剪抗力的贡献达到15.8%31.9%，随着腹板孔高比的增加，翼缘对纯剪抗力的贡献越来越大。所以必定能找出开孔率和翼缘尺寸与抗剪承载能力之间的关系。K.F.Chung5等人指出有必要对蜂窝梁进行塑性设计，使更准确预测蜂窝梁的承载能力，因为蜂窝梁达到极限承载力前，在四个孔角处形成塑性铰，可以提高承载能力。把蜂窝梁和混凝土板结合到一起形成蜂窝组合梁，可以充分发挥两种结构的优点，而目前对蜂窝组合梁受力性能特别是抗剪性能研究较少，现有实腹组合梁和蜂窝梁理论不能满足工程中蜂窝组合梁设计的要求，限制其在工程中的应用。本文进行大量的有限元模拟，分析了孔洞形状、开孔率、翼缘宽度和厚度等参数对蜂窝梁抗剪极限承载力的影响。在蜂窝梁和实腹组合梁研究基础上6-8，对考虑混凝土板作用下的蜂窝组合梁抗剪性能进行研究，分析钢梁翼缘、混凝土板和栓钉连接作用对蜂窝组合梁抗剪性能的影响。在此基础上，研究蜂窝组合梁在弯矩和剪力共同作用下的相关性，分析蜂窝组合梁孔洞竖向的合理位置。1.3 国内外应用与研究现状1.3.1国内外应用现状蜂窝钢构件己日渐广泛地应用于高层建筑、厂房、办公楼、桥梁、轮船及架桥机等工程领域，蜂窝构件具有广阔的发展前景。一些发达国家例如美国、德国、日本和澳大利亚等已经制定了蜂窝梁相应的规范，或有标准图集可查。60年代以来，国外在一些体育场馆、工业厂房和民用建筑等工程项目中使用了腹板开洞的蜂窝构件作为檩条、门式钢架或框架结构等，并取得了很好的经济效益和社会效益。1968年，鹿岛建设设计的日本霞关大楼9建成，高147米，36层，是日本废除自1920年颁布的有关“建筑物的高度最高不得超过31 米”的法规后建造的第一座高楼。该结构体系框架梁均采用蜂窝梁，利用其孔洞进行穿越一部分管线(如图1.1)。由于其具有较好的经济和美学效益，近些年来蜂窝构件仍被广泛应用。2006年最新建成的英国Vulcan大楼(如图1.2)被评为国家最绿色建筑之一，框架梁全部采用蜂窝梁，最大跨度为15m，可以在梁高范围内穿越所有的设备管线，使得结构的周边立面和内部轻质隔墙之间不用设置柱子，使结构高度最小化，为建筑创造出尽可能多的净空。 图1.1 施工中的日本霞光大厦 图1.2英国Vulcan大楼Fig.1.1 Rays building construction in japan Fig.1.2 British Vulcan building国外蜂窝梁应用较早，研究相对成熟。由于蜂窝梁具有诸多优点，80年代国内实际工程中开始出现蜂窝构件。攀钢轨梁厂的挡雨板和檩条、1980年宝山钢铁厂的蜂窝梁檩条、1983年长春滑冰馆的三铰拱屋盖和之后的哈尔滨滑冰馆的人字形屋盖均采用的是蜂窝梁。对于蜂窝组合梁的应用，1996年钢和混凝土蜂窝形组合梁成功地应用于徐州彭城电厂主厂房楼层中；1998年深圳赛格大厦完工，此工程将蜂窝形组合梁运用到楼盖中。2000年以后，蜂窝构件应用于实际工程的实例越来越多，如广州国际会议展览中心、酒店、大连期货广场双子塔楼、杭州萧山国际机场、北京国际机场候机大厅、西安建筑科技大学文体馆、广州龙穴造船厂和北京城铁大钟寺车站等等（如图1.3图1.8）。 图1.3北京国际机场候机大厅 图1.4杭州萧山国际机场Fig.1.3 Beijing international airport terminal Fig.1.4 Hangzhou Xiaoshan international airport 图1.5西安建筑科技大学文体馆 图1.6北京城铁大钟寺车站Fig.1.5 Xian University of Architecture and Technology Sports hall Fig.1.6 Beijing suburban railway station 图1.7广州龙穴造船厂 图1.8酒店Fig.1.7 Guangzhou Longxue shipyard Fig.1.8 Macau grand lisboa hotel 蜂窝梁的应用正在向其他结构领域扩展，如桥梁结构中的主梁，水工闸门中的主梁等等。1951年，美国德克萨斯州公路局将蜂窝钢梁运用于两座简支桥梁上，跨度分别为100英尺和65英尺，取得了较好的经济效益，日本一些桥梁中也应用了蜂窝梁。2008年，湖南大学桥梁研究所做的一次圆孔蜂窝组合梁为主梁的桥梁概念设计，是国内对蜂窝梁在桥梁中应用的首次探究。在国内，蜂窝梁架桥机、起重机等比较常见（如图1.9、图1.10），并有相应的制作工厂。 图1.9蜂窝梁运架一体架桥机 图1.10蜂窝梁门式起重机Fig.1.9 Cellular bridge machine with Fig.1.10 Cellular girder gantry crane随着对于蜂窝构件的深入研究，蜂窝构件的应用也逐渐广泛，并且从单个蜂窝构件向蜂窝结构体系发展，从蜂窝构件向钢-混凝土蜂窝组合构件等不同形式发展。1.3.2国外研究现状国外对蜂窝梁作了大量的试验，并将蜂窝构件普遍应用到实际工程中，同时取得了可观的经济效益。蜂窝梁的简化计算方法最早由国外学者提出，并不断改进。50年代，Altflihsch10等首先提出了用费氏空腹桁架法计算蜂窝梁的正应力，并假定蜂窝梁受弯时，截面保持平面假定。Gibsno和Jnekins11发表了较为精确也较为复杂的计算方法，把费氏空腹桁架法的计算模式转化为等效的等截面梁，然后建立梁的微分方程，以求解梁的应力和挠度。1964年，Kolosowski12通过结构试验结果分析了Gibson和Jenkins的方法，认为:蜂窝梁的受力基本上与空腹桁架相同，由于杆件粗短，受弯后不再保持平面变形，正应力分布也不再保持线性。60年代以来，经过不少学者的试验研究，改进了空腹析架计算法。1968年以来，Chung13、Srimani S L14等人先后采用有限元法分析蜂窝梁的应力，其计算结果的截面应力分布是非线性的，与试验结果也有一定的误差。70年代以来，英国日本法国德国前苏联等国家都把蜂窝梁柱的设计纳入规范15-18，其中应力分析采用空腹桁架计算法。挠度计算，多数国家采用复杂的费氏空腹桁架法。1971年，James A M把弹性力学的平面问题用于蜂窝梁，并用差分法进行了解算。1975年，Wang、Snell和Cooper19提出了一种偏心加强开孔梁承载力的方法。他们根据计算机的结果，用迭代的方法得出开孔处的弯剪相互作用曲线。但是这种方法只适用于单个方形开孔梁，有很大的局限性。随着计算机内存和速度的增加，Srimani S L和Oas P K20等先后进行了蜂窝梁的有限元分析，但都仅限于弹性分析。从80年代以后，Redwood R21和Demirdjian22等学者进行了蜂窝梁的试验研究。1990年，Darwin23在腹板开孔梁的组合梁的设计指南一书中，总结当时现有的研究成果，给出了满足紧凑型截面要求的工字型梁开矩形和圆形孔时的弯剪相关作用曲线。2001年Chung K F24和2003年Liu T C H25等人对不同开孔形式和开孔尺寸的蜂窝梁进行分析，对大尺度蜂窝梁有了初步的探讨。2008年Benediktas26等人通过实验与有限元计算结果提出了一个合理的选择蜂窝梁截面尺寸的新方法。2011年，Ellobody E27对蜂窝梁屈曲模态之间的相互作用进行了研究。2011年，Pachpor P D28等人对不同开孔率和不同开孔位置六边形孔蜂窝梁受力性能进行分析。1982年，Clawson C，Darwin D 29等人对六根腹板开洞蜂窝组合梁进行了试验研究。通过改变腹板开洞的位置以及剪跨比发现，弯矩与剪力的比例直接影响蜂窝组合梁的破坏模式，由于开孔削弱了蜂窝组合梁的抗弯和抗剪承载力。同年，Clawson C，Darwin D 30等人给出了腹板开矩形孔的蜂窝组合梁承载力计算方法，他们认为混凝土板和钢梁共同抗弯，而混凝土板的抗剪贡献忽略，因此，存在一定的误差，他们将计算结果与试验对比，发现计算结果偏于保守。1983年，Redwood R G31等人提出了对于腹板开孔蜂窝组合梁，混凝土板不仅提高了抗弯承载力，同时对抗剪承载力有一定的贡献。1992年，Cho S H和Redwood R G32等人对蜂窝组合梁混凝土板的破坏进行了分析。1992年，Cho S H和Redwood R G33等人对蜂窝组合梁进行了试验研究。1996年，Fahmy34对腹板开孔蜂窝组合梁进行了理论分析，给出了承载力计算公式，但是在理论分析中，默认钢梁与混凝土直接完全抗剪连接，与实际情况有一定偏差。2000年，Darwin D35对腹板开洞组合梁的设计方法进行分析。2003年， Park J W36等人进行了9根蜂窝组合梁的试验研究，分析了在不同受力作用下的破坏情况，给出了弯-剪共同作用下的相关公式。2005年，Chung K F和Wang A J37等人在试验基础上根据有限元计算结果，给出了矩形孔蜂窝组合梁承载力设计方法。2007年Jiang W38等人分析了孔洞大小，弯-剪比以及剪力连接件连接程度对蜂窝组合梁承载力的影响，通过分析发现在孔洞上方增加剪力连接件数量对蜂窝组合梁的承载力有一定的提高。2009年，Ju Y K，Chun S C和Kim S D39指出为了有效利用高层建筑层高，利用钢梁腹板开洞可以有效的降低层高，并通过实验分析了考虑楼板组合作用下的蜂窝组合梁受力性能。2011年，Weil T，Schnell J和Kurz W40对蜂窝组合连续梁受力性能进行分析，指出蜂窝组合梁塑性发展对其承载力的影响。1.3.3国内研究现状国内对蜂窝梁和蜂窝组合梁研究起步较晚，主要从80年代国内学者开始对其进行了一些研究：1994年，广西大学苏益声41分析了六边形孔蜂窝梁和圆孔蜂窝梁在荷载作用下的应力分布特征、挠曲变形特点以及蜂窝梁破坏的三种形式：弯曲破坏、剪切破坏和失稳破坏。同年，他又进行了圆孔蜂窝梁在弯矩、剪力共同作用下最不利截面的分析以及蜂窝梁梁桥高度对正应力的影响和梁桥高度的合理取值范围。2001年，王庆利42等研究了纯弯状态下蜂窝梁腹板稳定问题，用瑞利里兹法计算出板的屈曲荷载，并给出了高厚比限值。2004年，王立福43提出，孔洞对剪应力的分布影响很大，使得蜂窝梁的破坏与实腹梁不同，是由弯剪共同作用引起的。2005年浙江工业大学建筑工程学院郎婷，赵滇生44对不同荷载形式下的蜂窝式工字钢梁受力性能和应力分布特点进行了研究。2005年邹锦华、魏德敏、苏益声、李林45设计制作了三根蜂窝梁进行试验，通过对简化计算理论值与实测值的对比分析，验证了简化计算的正确性，总结出了两种孔型蜂窝梁的设计计算方法。2007年同济大学宋涛炜46得出孔口正应力分布的影响区域与开孔高度有关，大约为孔口高度的0.9倍；剪应力大约为一个梁高，并通过回归分析给出剪应力最大值计算公式。2008年中南大学罗群通过分析钢梁腹板开圆孔产生三种主要的开孔截面破坏形式，提出了圆孔蜂窝梁的弯-剪相关简化设计公式。2008年中南大学周朝阳，周云峰47提出了蜂窝梁等效抗弯刚度的合理表达式，并以常用的六边形孔和圆孔为例,通过大量有限元分析，得到了腹板刚度折减系数表，然后进一步给出了该系数的半理论半经验计算公式，文章中还提出剪力产生的挠度不可忽略。2009年哈尔滨工业大学武岳，吴迪，林国铎，孙瑛48进一步研究蜂窝梁的力学性能，探讨了跨度、开孔率、孔间距等关键设计参数对梁强度、刚度和稳定性能的影响，并将计算结果与相同截面的实腹式构件对比，给出了较为简化的实用计算公式。1994年，徐德新49给出蜂窝组合梁强度计算方法，考虑了空腹次弯矩的影响和竖向剪力的影响，并将计算结果与试验数据对比。1998年，同济大学王瑞民50等人进行了3根高托蜂窝组合梁试验研究，在试验基础上进行理论分析，给出了承载力理论计算公式，并将公式计算值与试验值比较偏于安全。2004年，白永生51等人对国外蜂窝组合梁相关计算方法进行对比介绍，提出了各自的优点不足，在国外的计算方法上进行修正，通过实验数据验证了修正后公式的正确性。2004年，周东华52等人对腹板开洞组合梁进行了有限元计算，对比了开孔前后承载力与刚度的变化情况，分析了滑移对承载力的影响，并指出蜂窝组合梁孔洞处由混凝土板起主要抗剪作用，钢梁起主要抗弯作用。2008年，张伟，胡夏闽53对腹板开孔蜂窝组合梁进行了非线性分析，分析发现弯剪比对承载力的影响明显，混凝土抗剪贡献在孔口处不可忽略。2008年，李华54等人对1根实腹组合梁和3根蜂窝组合梁进行了试验研究，对承载力、刚度和截面应力分布变化进行分析。2010年，湖南大学刘春55通过一根等截面的钢混凝土蜂窝组合箱梁(圆孔)弹性状态的静载试验以及极限承载力全过程静载试验，对蜂窝梁在桥梁中的应用进行了前期初步探讨。沈阳建筑大学贾连光教授团队对国内研究较少的蜂窝柱、蜂窝梁柱节点和蜂窝框架进行研究：蜂窝梁的研究：对不同孔型、不同开孔梁下的蜂窝梁进行有限元模拟分析，通过对比分析得出，圆孔梁的极限抗弯承载力明显高于六边形孔蜂窝梁的极限抗弯承载力；分析了跨高比对不同扩张比蜂窝梁的弹性弯扭屈曲临界弯矩的影响，给出了纯弯状态下蜂窝梁的整体稳定计算公式56,57。蜂窝柱的研究：通过对不同截面形式的实腹式压弯构件及蜂窝式压弯构件的平面内稳定极限承载力计算及分析，提出了蜂窝式压弯构件强度、刚度及平面内稳定设计的计算方法；对原型钢与扩张后的蜂窝压弯构件的弹性弯扭屈曲临界荷载进行了比较，分析了跨高比以及孔形对其值的影响，给出了适合蜂窝压弯构件弯矩作用平面外稳定性的计算公式。对蜂窝式压弯构件局部稳定问题进行研究，考虑了翼缘的相关作用，同时考虑了腹板高厚比、翼缘和腹板厚度比、应力比以及开孔大小等多个参数对腹板屈曲系数的影响，得出了蜂窝构件局部屈曲系数的变化趋势与特点，提出了蜂窝构件局部屈曲系数的设计式。2008年，进行了蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内的试验研究，通过试验分析，引入了换算长细比概念，对由边缘屈服准则导出的格构式压弯构件平面内稳定计算公式进行了修正，提出了蜂窝式压弯构件强度承载力、刚度条件及平面内稳定性设计计算公式。2009年，进行了蜂窝式轴压构件腹板局部稳定性试验研究，通过试验与有限元分析相结合的方法，分析了简支开孔薄板局部失稳的破坏模式、开孔薄板墩板和桥板的应力状态、开孔薄板孔边的应力状态、孔洞大小对开孔薄板的影响以及在翼缘约束作用下蜂窝构件腹板的稳定问题，并给出开孔腹板弹性屈曲荷载的计算公式58-63。蜂窝梁柱节点的研究：2009年，进行了蜂窝式钢框架梁柱节点静力性能试验研究，与有限元分析相结合，分析了梁腹板分别为六边形、圆形以及正方形的蜂窝式框架节点的控制参数对节点静力性能的影响，得出了不同孔型的蜂窝式钢框架节点控制参数的合理取值范围。2010年，进行了原型钢和蜂窝节点共六组试件在低周往复荷载下的试验研究和有限元模拟，通过对其滞回曲线、骨架曲线和延性等分析，对蜂窝式钢框架梁柱节点抗震性能进行了综合评价，并对蜂窝梁梁柱节点设计给出合理建议64-67。蜂窝框架体系的研究：2010年，进行了蜂窝框架结构体系模型在低周往复荷载作用下的拟静力试验，通过试验和有限元模拟相结合，对蜂窝框架体系抗震性能进行分析，评价了蜂窝式梁-柱钢框架结构形式的延性性能和耗能能力，通过改变不同孔型和不同参数的有限元模拟分析，分析不同影响因素下的性能变化，给出了合理的设计建议68-70。1.4 本文的研究内容、方法及创新点1.4.1研究内容与方法本文通过有限元软件Abaqus，对蜂窝梁和考虑混凝土组合作用下的蜂窝组合梁在竖向荷载作用下的抗剪性能进行研究，分析了孔型、开孔率、翼缘尺寸、混凝土板尺寸和连接程度等参数对抗剪性能的影响，具体内容如下：(1) 建立合理的有限元计算模型，通过对国外蜂窝梁抗剪试验和蜂窝组合梁抗剪试验的计算，与试验数据对比，找出合理的计算方法，为下一步大量模拟提供依据。(2) 对不同孔型、不同开孔率和不同翼缘尺寸的蜂窝梁进行数值模拟，分析孔型对蜂窝梁抗剪性能的影响；通过变化开孔率和翼缘尺寸，分析二者之间的相关性，找出翼缘对抗剪贡献的大小和主要影响因素，通过分析给出蜂窝梁抗剪计算方法。(3) 对不同孔型蜂窝梁和考虑混凝土板组合作用下的蜂窝组合梁进行对比，分析混凝土板对蜂窝组合梁抗剪承载力的贡献；(4) 对不同混凝土板尺寸和连接程度下的蜂窝组合梁进行数值模拟，分析混凝土板宽度和厚度对蜂窝组合梁抗剪承载力变化的影响，通过分析回归给出无剪力连接件时的蜂窝组合梁抗剪计算公式；通过改变栓钉直径，分析不同连接程度下蜂窝组合梁界面滑移分布规律，以及滑移对其抗剪性能的影响，给出影响程度的计算方法。(5) 分析剪跨比对蜂窝组合梁抗剪性能的影响，分析蜂窝组合梁的在弯矩和剪力共同作用下的相关性，通过数值模拟与理论计算给出蜂窝组合梁弯-剪相关曲线的设计公式；改变蜂窝组合梁孔洞竖向位置，分析孔洞竖向位置对承载力的影响，找出合理的竖向孔洞位置。(6) 通过数值计算与理论分析，对蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪性能做出综合性总结，对其抗剪设计提出意见和建议。1.4.2创新点国内外对于蜂窝梁和蜂窝组合梁的抗剪设计，大多采用实腹梁和实腹组合梁的设计方法，在孔口处按T型截面梁进行抗剪设计，按实腹梁的计算公式进行计算，忽略了孔型和翼缘对蜂窝梁和蜂窝组合梁抗剪的影响。本文在原有实腹梁经典理论基础上，将开孔后的梁笼统地看成“完整”钢梁，从宏观的角度研究抗剪承载力，分析不同参数对其抗剪性能的影响，给出实用抗剪计算方法和弯-剪相关公式，对于设计人员更方便简单。第二章 蜂窝梁及蜂窝组合梁基本理论与设计方法2.1 蜂窝梁及蜂窝组合梁受剪破坏形式 蜂窝梁及蜂窝组合梁由于腹板开孔后，抗剪承载力下降，当竖向剪力较大时，蜂窝梁及蜂窝组合梁剪切破坏先于弯曲破坏。构件发生剪切破坏时，材料性能不能完全发挥出来，是设计中要尽量避免的。蜂窝梁及蜂窝组合梁有多种剪切破坏形式，发生哪种破坏与梁的截面尺寸、开孔形状和开孔大小等都有关系。2.1.1蜂窝梁剪切破坏形式蜂窝梁剪切破坏的主要形式有：(1) 最薄弱截面剪切破坏 这种破坏形式主要发生在圆形孔蜂窝和开孔率较小的其他孔型蜂窝梁中。对于圆形孔蜂窝梁，梁桥处腹板从两侧向中间均匀减小，应力集中现象得到缓解，梁桥两侧腹板面积增大，可以有效的抵抗剪力次弯矩的作用。因此，圆孔蜂窝梁剪切破坏一般发生在最薄弱截面；开孔率较小的其他孔型蜂窝梁由于梁桥长度短，剪力引起的次弯矩较小，产生的影响不足以与截面剪力相比，此时也以最薄弱截面剪切破坏为主。(2) 空腹剪切破坏机制随着开孔率的增大，当梁桥达到一定长度时，在剪力和剪力次弯矩的作用下，蜂窝梁孔角首先进入屈服状态，随着剪力和剪力次弯矩的增加，屈服延伸，屈服面积变大，孔洞发生剪切变形，呈平行四边形。当孔角全截面进入屈服状态时，此时孔洞失去抗剪承载能力，发生剪切破坏，这种破坏形式与空腹桁架相似，被称作空腹剪切破坏机制。 (3) 梁桥剪切屈曲作为翼缘板的简支边，梁桥处腹板应该具有足够的刚度，如果梁桥处腹板的弯曲刚度较小，梁桥处腹板首先发生屈曲；如果梁桥处腹板的弯曲刚度较大，此时的屈曲模式是梁桥上方翼缘板的局部屈曲，翼缘板和梁桥处腹板之间在结构上的相互作用很小，梁桥处腹板仅作为翼缘板的屈曲模式的波节线。因此，在设计中要保证梁桥处腹板的弯曲刚度足够大，以保证翼缘屈曲先于梁桥处腹板剪切屈曲。(4) 梁墩剪切屈曲为了满足一定的刚度和强度要求，孔洞之间腹板的尺寸应足够大，尺寸较小时，在剪力作用下，孔洞之间腹板发生局部屈曲。(5) 焊缝碎裂由于蜂窝梁是通过实腹梁通过腹板按一定折线切割焊接而成，上下T形截面是通过焊接连接到一起。当水平剪应力超过焊缝强度时，相邻孔洞之间腹板的焊缝将会破裂。根据腹板孔洞切割制作工艺可知，孔洞之间腹板焊接长度与切割折线有关，当开孔水平长度较小时，相邻孔洞之间腹板的焊缝易产生此种形式的破坏。2.1.2蜂窝组合梁剪切破坏形式蜂窝组合梁剪切破坏除了以上提到的蜂窝梁剪切破坏形式外，还主要有以下几种破坏形式：(1) 混凝土板断裂在剪力和剪力次弯矩作用下，孔洞发生剪切变形，孔洞变成平行四边形，在剪力次弯矩作用下，混凝土板受拉力作用，产生裂缝。随着剪力和剪力次弯矩变大，裂缝增加，最后混凝土板断裂。(2) 混凝土板局部压碎在局部荷载作用下，混凝土板局部被压碎。(3) 栓钉被压曲或剪断蜂窝梁与混凝土板之间一般通过栓钉连接形成一个整体，在剪力作用下，界面有相对运动趋势，混凝土与钢梁之间的粘结作用很小，并且出现微小滑动后，这种作用消失，摩擦作用几乎可以忽略。此时，横向剪力完全由栓钉承担，当剪力增大到一定程度，栓钉被剪曲或剪断。(4) 栓钉与混凝土板接触处混凝土被挤碎当栓钉的刚度与强度足够时，栓钉能完全承担横向剪力，随着剪力逐渐变大，栓钉与混凝土接触处混凝土达到抗压强度，局部混凝土被压碎。2.2 蜂窝梁现有设计方法对于蜂窝梁强度计算方法，国内外尚无统一的计算公式。目前，国内外应用的设计计算方法基本有以下几种：(1)实腹梁计算方法：假定蜂窝梁的结构性能和实腹梁相同，按实腹梁计算应力的方法，通过修正系数对计算结果进行修正来考虑孔洞的影响，这种方法误差较大；(2)费氏空腹桁架法：把蜂窝梁看成空腹桁架，是目前应用较多的一种方法，各国一般都在此理论基础上进行公式的修正。(3)有限元法：是通过计算机有限元软件进行计算，这种方法计算较精确，但是计算方法复杂，不便于设计人员掌握。2.2.1实腹梁抗剪设计方法对于实腹钢梁的抗剪设计，钢结构设计规范(GB50017-2003)71对其进行如下规定。(1) 在主平面内受弯或受剪的实腹构件，其抗剪强度应按下式计算： (2.1)式中：计算截面平面内剪力； 计算处以上毛截面对中和轴的面积距； 截面惯性矩；腹板厚度； 钢材抗剪强度设计值。(2) 单纯受剪考虑腹板屈曲后强度的抗剪承载力应按下式计算：当时： (2.2)当时： (2.3)当时： (2.4)式中：用于腹板受剪计算时的通用高厚比，按下式计算。当时： (2.5)当时： (2.6)横向加劲肋高度与间距比值，当仅配置支座加劲肋时，取式(2.5)、(2.6)中。(3) 弯矩、剪力共同作用时，考虑腹板屈曲后强度，应按下式验算抗弯和抗剪承载力： (2.7) (2.8)式中：梁的同一截面上同时产生的弯矩和剪力设计值；计算时，当，取；当，取；梁两翼缘所承担的弯矩设计值；较大翼缘的截面积及其形心至梁中和轴的距离；较小翼缘的截面积及其形心至梁中和轴的距离；梁抗弯和抗剪承载力设计值。2.2.2国外蜂窝梁设计相关规定一些国家将蜂窝构件的计算方法纳入到了规范当中，但是不同国家其计算方法有一定的区别。目前，国外计算蜂窝构件强度的主要方法都是建立在空腹桁架理论的基础之上，在空腹桁架理论的基础上进行推导和改进。按照空腹桁架理论，蜂窝梁在受力后截面符合平截面假定，孔洞处截面剪力按上下T形截面的刚度分配，剪力引起剪力次弯矩，并且反弯点位于梁桥中点位置。(1) 抗剪强度计算方法对于抗剪强度的计算方法，各国采用的计算公式基本相同。腹板开孔后，孔洞处抗剪承载力下降，蜂窝梁抗剪强度主要验算梁桥和梁墩焊缝的抗剪强度。 梁桥抗剪强度对于梁桥的抗剪计算，假定上下T形截面按刚度分配截面竖向剪力，当上下截面尺寸和材料相同时，上下T形截面平均分配，T形截面剪应力计算按实腹方法计算： (2.9)式中：T形截面面积矩；T形截面惯性矩； 梁墩处焊缝抗剪强度 如图2.1，在剪力与弯矩共同作用下，梁墩对接处受剪力作用，此时需要验算该处焊缝的抗剪强度，此时焊缝承担的剪力为： (2.10)则，焊缝的抗剪强度验算公式为： (2.11)图2.1 孔洞受力简图Fig.2.1 Diagram for holes in the force(2) 弯剪联合作用下的强度验算对蜂窝梁在弯矩和剪力共同作用下强度验算公式，各个国家采用的公式有一些区别。 前苏联计算方法前苏联钢结构规范对蜂窝梁的强度计算方法进行了定义，当孔洞上下T形截面尺寸不同时，分别验算以下几点的应力，计算简图如图2.2。图2.2 计算简图Fig.2.2 Calculation diagram上T形截面：1点： (2.12)2点： (2.13)下T形截面：3点： (2.14)4点： (2.15)式中：梁截面的弯矩和剪力；上下T形截面承受的剪力，；上下T形截面对平行于翼缘自身形心轴的惯性矩；孔洞处截面对x轴的惯性矩；上T形截面对平行于翼缘自身形心轴的最大、最小截面模量；下T形截面对平行于翼缘自身形心轴的最大、最小截面模量；上下T形截面钢材的计算强度；按计算强度进行设计时采用的抗力分项安全系数，取为1.3； 工作条件系数，取值与构件的工作条件有关，详见前苏联钢结构规范表6。如果上下T形截面材料与截面尺寸相同，则任意一点应力计算公式可简化为： (2.16)式中：空腹截面的截面模量；空腹截面一个T形截面的截面模量； 日本计算方法 日本钢结构协会在费氏空腹桁架法的基础上，对强度验算公式进行了一定的改进。他们假定弯矩在空腹截面产生的弯曲正应力，在上下T形截面上均匀分布，这样，在已有公式的基础上，对验算公式进行了简化，便于设计，改后的公式为： (2.17)式中：上下T形截面形心距离； 上下T形截面面积。如果上下T形截面材料与截面尺寸相同，则任意一点应力计算公式可简化为： (2.18) 英国计算方法英国BS5950规范没有给出具体的计算公式，只是按照空腹桁架理论给出计算方法。规定的空腹处弯曲正应力计算方法与日本相似，均是按照T形截面上均匀分布，并考虑孔洞处剪力对空腹的影响。 德国计算方法原联邦德国Peine salzgitfer公司规定蜂窝梁计算方法与原苏联基本相同，在此基础上要求进行考虑剪应力的折算应力验算，即。同时，该公司给出了扩张比为1.5的蜂窝梁弹性承载力和塑性承载力图表，通过图表可以查出不同型钢制成的蜂窝梁的弹性和塑性承载力。2.2.3国内蜂窝梁设计相关规定国内对蜂窝梁抗剪强度的验算主要是借鉴国外计算方法或采用实腹梁抗剪计算的方法进行简化计算，但国内尚无相关设计规范进行规定，高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-1998) 72中对管道通过钢梁开孔时进行补强进行了如下规定： 当管道穿过钢梁时，腹板中的孔口应予以补强。补强时，弯矩可仅由翼缘承担，剪力由孔口截面的腹板和补强板共同承担；不应在距梁端梁高范围内设孔，抗震设防的结果不应在隅撑范围内设孔。同时对孔口位置、间距以及孔口大小和补强形式等进行了规定，但是没有给出具体的计算公式。冶金部建筑研究总院和马鞍山钢铁股份有限公司编制的热轧H型钢设计应用手册73中给出的抗剪强度计算方法与国外给出的相同，同时该设计手册同时给出了不同截面蜂窝梁截面性质表格、单位均布荷载作用下的挠度以及均布荷载作用下不同截面蜂窝梁的容许最大线荷载，通过这些表格之间查出承载力与挠度值，方便设计人员使用。 目前国内外蜂窝梁强度计算方法都是在费氏空腹桁架理论基础上进行的改进，该方法是一种近似的计算方法，试验数据表明实测的应力值通常与计算值有很大区别，应力分布不是按线性分布74,75。费氏空腹桁架理论与蜂窝梁实际工作状态仍有很大的差别，在实际工程中只能近似的计算，有一定的误差。2.3 蜂窝组合梁现有设计方法对于蜂窝组合梁的强度计算方法，国外相关规范给了一些简化计算方法，国内仍无相关规范。国内仅对实腹组合梁的强度计算进行了规定。2.3.1实腹组合梁抗剪设计方法对于实腹组合梁的抗剪设计，钢结构设计规范(GB50017-2003)对其进行如下规定。组合梁截面上的全部剪力，假定仅由钢梁腹板承受，按下式进行计算： (2.19)式中：腹板高度和厚度； 钢材抗剪强度设计值。聂建国钢与混凝土组合结构设计76一书中对实腹组合梁抗剪计算指出：(1) 弹性抗剪强度验算组合梁在施工与使用等各个阶段受力不同，中和轴位置也不同，无法确切给出组合梁在大剪应力位置。对其进行简化计算，把混凝土板和钢梁的各阶段最大剪应力叠加作为设计值。钢梁腹板内最大剪应力： (2.20)混凝土板内最大剪应力： (2.21)式中：各阶段所对应截面剪力； 面积矩；混凝土截面宽度；钢梁腹板厚度；混凝土轴心抗拉强度设计值；钢材抗剪强度设计值。 以上公式中，下标字母、分别表示混凝土与钢梁；数字0、1、2分别表示施工阶段、长期作用和短期作用；式(2.21)中当混凝土板内不配置横向钢筋时取，当配置横向钢筋时取。当钢梁同一截面同时受较大正应力和剪应力，则需验算折算应力： (2.22)(2) 塑性抗剪强度验算计算公式与钢结构设计规范中规定相同。2.3.2国外蜂窝组合梁设计相关规定国外规范对蜂窝组合梁抗剪计算有不同的定义，一些国家定义了专门的蜂窝组合梁设计手册。(1) 澳大利亚计算方法澳大利亚腹板开洞简支混合梁设计手册77给出了蜂窝组合梁抗剪设计的详细方法与公式。腹板开洞组合梁抗剪承载力按下式计算： (2.23)式中：蜂窝梁组合梁上、下T形截面抗剪承载力；蜂窝