带加劲肋钢混凝土组合蜂窝梁力学性能试验研究

摘要：对一根带加劲肋的钢-混凝土组合蜂窝梁进行了模型试验，考察了该结构在不同荷载作用下的受力和变形特点试验表明，由于剪力次弯矩的影响，组合蜂窝梁孔口截面将先于翼缘板进入屈服，其对变形的影响也不可忽略基于空腹桁架计算理论，考虑加劲肋的影响，推导了组合蜂窝梁应力的计算公式，并与试验结果进行了对比分析，结果表明，理论计算方法可以较为准确地反映圆孔边缘应力的分布规律，弯剪作用下最大应力出现在圆孔截面150～165°处同样采用空腹桁架方法推导了组合蜂窝梁挠度的计算公式，与试验结果、有限元结果和规范建议方法进行了对比，各结果吻合良好，本文计算公式可为组合蜂窝梁正常使用阶段的挠度验算提供参考.



关键词：应力；桥梁工程；蜂窝梁；钢混凝土组合结构；挠度

中图分类号： U448.25 文献标识码：A

带加劲肋钢混凝土组合蜂窝梁是一种新型的桥梁结构形式［1］，箱梁腹板成排开孔，结构通透，造型新颖，抗弯刚度大于扩张前截面，截面效率高；采用圆形孔，避免孔角较大的应力集中［2-3］；在孔洞间设置竖向加劲肋，能有效地防止腹板的失稳［4］，提高其承载能力.

1951年美国德克萨斯州公路局曾将蜂窝钢梁作为两座简支梁桥的主梁，其跨度分别为100英尺和65英尺［5］，这也是至今仅有的将蜂窝梁结构应用于桥梁工程的记录.国内外对腹板开孔结构的研究多针对于蜂窝钢梁［3,6-7］和腹板开单孔的组合梁［4］，较少涉及组合蜂窝梁［8］，而对于带加劲肋组合蜂窝梁这一结构形式则鲜有报道［2］，这限制了其在实际工程中的应用.

钢混凝土组合蜂窝梁结构腹板成排开孔，剪力的传递不连续，从而造成其受力和变形性能有别于常规组合结构.本文根据普通钢混凝土组合梁实桥按1∶10的比例，按照几何相似、边界条件相似、物理参数相似的等效原则设计制作了一根组合蜂窝梁的缩尺模型，并进行了静载试验，考察其受力和变形等基本力学性能.以空腹桁架简化理论为基础，推导了组合蜂窝梁应力和变形的计算公式，通过理论和试验结果的对比分析，验证计算方法，进一步探明了这种新型组合结构的受力性能，为该结构的实际应用奠定基础.

5 结语

1) 基于费氏空腹桁架理论的应力计算方法能较准确地计算出钢混凝土组合蜂窝梁圆孔边缘最大环向应力的位置及大小，且能较好地计算出其他各点环向应力分布规律和趋势，该方法适用于组合蜂窝梁弹性阶段的强度分析.

2) 钢混凝土组合蜂窝梁腹板圆孔的环向应力分布十分不均匀，分布规律比较复杂.弯剪共同作用下，圆孔最大环向应力出现在φ=150°～165°截面处，并与其相对应的圆环位置形成4个应力峰值区，压应力区和拉应力区交替分布，随着荷载的增加，这4个区域会率先进入弹塑性阶段，并且压应力区域存在局部稳定问题，在设计中应引起足够重视.

3) 基于费氏空腹桁架理论的挠度计算方法能满足实际工程的要求，得到的计算结果与有限元结果、试验结果吻合良好，对比误差基本上在10%以内，且总体偏于保守，可供实际工程设计参考.

参考文献

［1］ 湖南大学. 钢混组合结构的双层连续梁桥［P］. 中国: ZL 2007 1 0192479.3, 2009-09-23.

Hunan University. Steelconcrete composite doubledecker continuous bridge ［P］. China: ZL 2007 1 0192479.3, 2009-09-23.(In Chinese)

［2］ 邵旭东，刘俊珂.计入加劲肋的圆孔蜂窝组合梁强度简化计算［J］. 湖南大学学报: 自然科学版,2009,36(9):7-11.

SHAO Xudong, LIU Junke. Reduced computation of the strength of circular hole castellated composite beams with stiffened webs ［J］. Journal of Hunan University: Natural Sciences,2009,36(9):7-11.(In Chinese)

［3］ 邹锦华, 魏德敏, 苏益声,等. 蜂窝梁的简化计算及其试验对比［J］. 华南理工大学学报,2005,33(1): 47- 51.

ZOU Jinhua,WEI Demin, SU Yisheng,et al.Reduced calculation and its experimental comparison for castellated beams［J］. Journal of South China University of Technology,2005,33(1):47-51.(In Chinese)

［4］ LAWSON R M,LIM J,HICKS S J,et al.Design of composite asymmetric cellular beams and beams with large web openings ［J］. Journal of Constructional Steel Research,2006,62:614-629.

［5］ 汤庆轩.简支蜂窝梁整体稳定的研究［D］.北京: 中冶集团建筑研究总院, 2004：1-11.

TANG Qingxuan. Study on overall stability of simply supported castellated beam ［D］. Beijing: Central research institute of building and construction, 2004：1-11. (In Chinese)

［6］ KOLOSOWSKI J.Stresses and deflection in castellated beam ［J］. The Structural Engineer, 1964, 42(1): 19-24.

［7］ 郑坤龙. 变高度工字截面圆孔蜂窝梁的挠度计算［D］. 长沙：中南大学土木工程学院，2007：1-66.

ZHEN Kunlong. Deflection calculation of tapered castellated beams［D］. Changsha：College of Civil Engineering, Central South University,2007：1-66.(In Chinese)

［8］ 薛桂玉，徐德新. 钢与混凝土蜂窝形组合梁设计中的若干问题［J］. 建筑结构学报，1999，20(4)：18-24.

XUE Guiyu,XU Dexin. Some supplemental recommendation for design of steel and concrete castellated composite beam ［J］. Journal of Building Structures, 1999, 20(4):18-24. (In Chinese)

［9］ 何一民，鸿,于力. 蜂窝梁挠度的实用计算方法［J］.工业建筑, 1994(8): 9-15.

HE Yimin, LI Penghong, YU Li. The applicable method for the deflection calculation of castellated beams ［J］. Industrial Construction, 1994(8): 9-15. (In Chinese)