蜂窩梁在大跨度結構的應用

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摘要：結合蜂窩梁的特點，針對其受力性能進行分析與計算以及在實際大跨度結構中的設計計算，通過蜂窩梁與其他種類梁方案的比較得出，蜂窩梁是一種截面小、承載力大、制作簡單和施工周期短的新型梁，應用在實際大跨度結構工程中可以減少建筑層高，從整體上節約建筑造價。

關鍵詞：蜂窩梁；受力性能；大跨度結構；建筑造價

近年來隨著我國經濟的快速發展，新型建筑體系———鋼結構建筑得到大力發展，但是總體形勢還是落后于發達國家。對于我國鋼結構建筑發展的一個主要限制因素就是造價問題。要促進鋼結構建筑在我國的發展，就需要科技工作者努力探索和尋求節約鋼材的理論和方式，達到降低鋼結構建筑造價的目的。從利用梁的受力特性考慮設計梁的截面結構，近年來應用較多。研究表明，在相同的承載條件下，與實腹梁相比，設計和使用蜂窩梁可減少鋼材使用量達到總耗量的25%~30%，同時節省油漆和運輸安裝費用15％~34.6％，具有良好的經濟效益。結合我國國情，更適于在大跨度結構設計中推廣應用[1]。

1蜂窩梁的特點

（1）作為一種新興的鋼結構，蜂窩梁在傳統鋼梁的基礎上，采用特定的截面形式進行裁切，重新連接構成一種新型的鋼梁。（2）不同的開孔截面形式和開孔數目，可以將蜂窩梁分為圓孔型蜂窩梁、橢圓孔型蜂窩梁，六角孔型蜂窩梁及八角孔型蜂窩梁等。蜂窩梁孔截面形式的不同會影響到梁的整體受力性能。現階段應用較多的是六角孔蜂窩梁。

2蜂窩梁的受力性能分析方法與計算

2.1正截面強度驗算

蜂窩梁的實腹部分強度驗算按照實腹梁來驗算。蜂窩梁空腹部分T形截面按以下計算：2.1.1截面正應力計算蜂窩梁的空心部分根據T形截面的正應力進行校核。在純彎曲梁的情況下，空心T形截面的彎曲應力是在彎矩Mx的作用下產生的。如圖1（a）所示，其呈現矩形分布。當蜂窩梁受剪力作用時，空心截面中的總剪力根據上下T形截面的剛度分布。每個孔的垂直中心線出現剪力彎矩，如圖1（b）所示[2]。規劃設計38--根據此計算式中的假定，在圖b中，b點和c點處，即在上下對稱的截面中，位于腹板角點處的兩點，是最大正應力的作用點。根據以上討論，危險截面一般與彎矩最大的斷面或剪力最大的斷面不重合。

2.2剛度驗算

由于蜂窩梁中腹板開孔的性質，腹板的剪切變形較大，因此在計算蜂窩梁的撓度時，剪切變形的影響非常重要。剪力會造成兩個方面的撓度，一方面撓度來自剪力引發的次彎矩，另一方面撓度來自剪力產生的剪切形變。

2.3穩定性驗算

蜂窩梁的側扭屈曲臨界彎矩可通過在平面內增加由彎矩作用產生的變形而得到提高。故對蜂窩梁講，當梁在彈性范圍內工作時，不考慮彎矩作用平面內的變形，可借助實腹鋼梁整體穩定性公式，計算得到的蜂窩梁臨界彎矩是偏于安全的。故現階段對于蜂窩梁的整體穩定性計算是參照實腹梁的穩定性計算原則，并作修正，計算如式（8）所示。

3蜂窩梁的應用

以內蒙某項目的總調度樓為實例說明。本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。該結構框架，共2層，長57.8m，寬21m，控制中心上部為局部大空間，長36m，寬18m。

3.1當量實腹梁截面估算

根據《鋼結構設計標準》附錄A的規定，樓蓋主梁的撓度允許值為［v］=17560×（1/400）=43.9mm，其撓度增大系數取為η=1.4，所需當量實腹梁的截面慣性矩為：

3.2蜂窩梁切割前型鋼截面的確定

蜂窩梁的擴大比，一般在1.2～1.7。由上可知其切割前的高度為800～1100mm，初選H型鋼尺寸為H900×300×16×28。

3.3蜂窩梁孔型尺寸的確定及限值

蜂窩梁采用六角形如圖2所示，則其相應的尺寸為：

3.4蜂窩梁的計算結果

在不同的擴大比下，蜂窩梁的計算結果見表1。通過表1可發現，隨著擴大比的增大，孔洞橋址處T形截面的最大應力逐漸增大，鋼材的性能越能充分的發揮。擴大比在1.5附近，蜂窩梁的撓度為最小，此時的應力比為0.78，此時的蜂窩梁有將近20%的富余量，因此擴大比在1.5附近時最為合理。

3.5蜂窩梁的構造要求

（1）在有開孔的翼板處，無論上下，均不應有集中荷載作用；如果這種情況無法回避，可以直接填充和密封腹板上的孔洞，將該處深化為實腹梁。（2）當蜂窩梁的實心腹板部分有集中載荷時，其結構要求可與典型的實心腹板梁相同。即添加加勁肋。如不能設置加勁肋時，需要對有集中荷載作用的腹板進行承載力驗算。

4蜂窩梁與其他方案的比較

（1）與混凝土梁相比：蜂窩梁截面小，自重輕，因為在蜂窩梁上做壓型鋼板組合樓板，一方面可以不用支模板，施工簡單，周期縮短，另一方面可以使整個屋面結構形成一個整體，大大增加其抗震性能。（2）與實腹鋼梁相比：在承載力相同的情況下，蜂窩梁比實腹梁相比，節省鋼材0.92t，約占17.7%。同樣在吊頂時不需用再預留其他空間。（3）與桁架相比：桁架制作復雜，施工周期長，防腐除銹費用較高，而且桁架一般適用于較大跨度（18~36m），對于本工程來說，如果用18m跨桁架，由于鋼屋架一般比較高，18m跨最高處達2.9m，采用鋼屋架勢必會增加層高，這一般是工程所不允許的。

5蜂窩梁應用總結

（1）蜂窩梁截面小，承載力大，制作簡單，施工周期短，腹板處的孔洞允許管道系統與設備穿過，可以降低建筑層高，大大降低建筑造價。（2）在有局部大空間的混凝土框架結構中，完全可以用蜂窩梁替代混凝土梁。（3）通過幾個工程的設計，對于20m跨度以內的結構，蜂窩梁都可以使用，達到一定的經濟效果。

參考文獻

[1]李鵬飛.蜂窩梁的力學行為研究[D].石家莊：石家莊鐵道學院.2008.

[2]蘇仁權，許繼祥，董偉娜.蜂窩梁受力性能數值分析[J].甘肅科學學報，2019，31（5）：107-112.

[3]柴昶，宋曼華.鋼結構設計與計算[M].北京:機械工業出版社，2006.

作者：王燕玲 單位：山西工程職業學院