1、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
2、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
3、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
4、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. I
5、t 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 ad
6、vantages 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 structur
7、e 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 accurat
8、e 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
9、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 f
10、ollowing 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
11、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
12、 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.hol
13、e, 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 application
14、s. 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 differ
15、ent 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 performa
16、nce 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 pos
17、ition 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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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.Chung 5等人指出有必要对蜂窝梁进行塑性设计，使更准确预测蜂
23、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
24、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
25、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 B
26、ritish 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、澳门新葡京酒店、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
27、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 rai
28、lway station图 1.7 广州龙穴造船厂 图 1.8 澳门新葡京酒店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
29、（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，Altflihsch
30、 10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，Kolosowski 12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，Chung 13、Srimani S L14等人先后采用
31、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
32、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，Darwin 23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。20
33、11 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
34、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，Fahmy 34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。200
35、3 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
36、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
