浅谈蜂窝梁设计

【摘要】 讨论了蜂窝梁在各国的应用以及相应的规范,以某工程为例,简单地介绍了该工程中应用到的蜂窝梁的设计过程,以使蜂窝梁得到更广泛地应用。

【关键词】 蜂窝梁;规范;设计

一、引言

蜂窝梁是由工字钢(H型钢)经切割、焊接而成的空腹梁。蜂窝梁的截面高度h与原梁截面高度H之比称为扩张比,一般在1.3～1.6之间,常用的扩张比为1.5。由于扩张后增大了截面惯性矩和截面模量,提高了梁的抗弯强度和刚度,使梁可以应用于更大的跨度,承受更大的荷载。蜂窝梁腹板的孔洞既美观又便于布设设备管线,这对高层建筑甚为有利,可以避免管道从梁下穿过所带来层高的增加。与实腹梁相比,蜂窝梁自重轻、承载能力高;与组合桁架相比,其建筑构造简单,防腐性能好。据国外资料介绍,以蜂窝梁代替实腹梁能节省钢材25%～50%,节省油漆和运输安装费用15%～34.6%。因为蜂窝梁有着许多其他受弯构件所不具备的优点,自20世纪初首次被用于工程以来,随着轧制宽翼缘钢材的出现,蜂窝梁已日渐广泛地被应用于桥梁、厂房、办公楼、轮船及吊车桥架等工程中。

二、各国规范的有关规定

英国钢结构规范BS5950 Part 1中列人了蜂窝梁的计算公式,钢结构设计手册中也列入了通用的蜂窝梁、柱、格栅等的规格和性能。前苏联也在1982年钢结构设计规范中列入了有关蜂窝梁计算等内容,是以Allftlish等人提出的费氏空腹桁架法为理论基础推导出来的。日本钢结构协会编的《新版H型钢系列》中提供了一套蜂窝梁简化计算公式,它是目前广泛采用的公式。英国规范BS5950规定:截面的抗弯承载力应根据净截面性能计算,并应适当考虑孔洞处剪力对空腹的影响。如果梁上有集中荷载,也应考虑集中荷载的局部影响。虽然没有给出具体的计算公式,但其理论基础还是费氏空腹桁架法。美国《Computer and Structures》杂志在近似计算和差分法的基础上提出了用有限元理论编制的适用于IBM1620型小容量计算机的专用程序。一些国家规范(加拿大规范CAN/CSA-S16.1-94)中虽没有蜂窝梁的明确提法,但其对在梁腹板上开大孔的情况也做了相关的规定。

目前在我国,虽然近年来在若干著作和研究论文中介绍了蜂窝梁的设计和计算,但尚未在相关规范或标准中列入蜂窝梁的设计条文。由于没有可以遵循的工程设计规范或标准,在很大程度上制约了蜂窝梁在我国的推广使用。可见,许多国家规范关于蜂窝梁的正应力计算方法均以费氏空腹桁架法为基础,尽管经过试验验证由此算得的应力分布与实际情况有别,但所得的最大正应力与梁的实际情况相符。又因其应力分析明确,计算方便,此法已被许多国家用以计算蜂窝梁的强度。

由于日本推荐的简化公式可以满足精度要求,并且比其他方法简单许多,因而我国学者推荐使用日本的正应力简化公式:

梁桥趾处T型截面:

?滓=■+■≤f

关于蜂窝梁抗剪强度的验算,各国的方法都一样,一般包括以下两方面:

(1)蜂窝梁孔腹板净截面处的验算。

在空腹处的T形截面剪力按下式进行验算:?子=■≤fv

(2)蜂窝梁孔之间的腹板对接焊缝的验算。

邻近支座第1,2孔洞间墩腰处焊缝:?子=■≤fvw

刚度计算、稳定性验算(整体稳定性、局部稳定性)不在此文中讨论。

三、设计实例

钢梁跨度20 m,次梁间距2 m,楼面铺设组合楼板,压型钢板型号YX75-200-600厚度1.0mm,混凝土厚度为80mm。楼面恒荷载3.5 kN/ ,活荷载为2.0 kN ,合计:q=1.35×3.5+1.4×2.0=7.525 kN/,=3.5+2.0=5.5 kN/。

线荷载:q=2.000×7.525=15.05 kN/m,=2.000×5.5=11 kN/m。

(1)当量实腹梁截面估算

次梁允许挠度:v=20000×■=80mm,其挠度增大系数取为?浊=1.2,则所需要的当量实腹梁截面惯性矩为:

I0=?浊■=1.2×■=1.64×109mm4=167000cm4。

按挠度计算的最小梁高为:

h1=?浊0.6fl(■)×10-6=1.2×0.6×215×20000×10-6=774mm。

选取当量实腹梁截面为H800×350×16×18,Ix=252123cm4。

(2)蜂窝梁切割前型钢截面的确定

蜂窝梁扩大比k1=1.5,其切割前的高度h=h1/l=800/1.5=533mm,相应的H型钢规格为H533×350×16×18,蜂窝梁的高跨比k2=h1/l=■,与挠度增大系数?浊=1.2一致,初选截面成立。

(3)蜂窝梁孔型尺寸

蜂窝梁采用六角形,扩大比k1=1.5,相应尺寸如下:

d1(1-■)h=(1-■)×533=133.25mm,

d2(k1-1)h=(1.5-1)×533=266.5mm,

蜂窝梁单元尺寸为l1×266.5+4×133.4=800mm。

(4)校核截面板件宽(高)厚比条件

上下翼缘外伸宽度:b/t=133.25/18=7.4

桥部T型截面腹板:d1/tw=(133.25-18)/16=7.2

墩部工字型截面腹板:h0/tw=(800-218)/16=47.75

(5)蜂窝梁截面特性

1.梁桥趾处T型截面:

AT=35×18+11.55×1.6=81.48cm2,

XT=■10.9cm,

IT=805.5cm2,

WTmin=■=73.9cm2,

WTmin=■=328.8cm3,Ib=126.334cm4

AW=2×(11.55×1.6)=36.96cm2,hz=2×(26.65+1.09)=55.48cm。

2.墩处实腹截面(当量实腹梁截面):

A1=248.24cm2,I1=252123cm4,W1=6303.1cm3,Iy1=12888.5cm4

Wy1=■=736cm3

iy=7.2cm。

(6)蜂窝梁内力

1.桥趾截面处 T 型截面腹板应力计算截面位置确定x=■-■=877.5cm,此处内力为:

Mx=■qlx-■qx2=■×15.05×20×8.755-■×15.05×8.7552=741.2kN・m,

Vx=■ql-qx=■×15.05×20-15.05×8.755=18.4kN。

2.跨中弯矩计算

Mmax=■ql2=752.5kN・m,

支座处剪力:Vmax=■ql=206.5kN

梁墩处实腹截面:?滓=■131N/mm2

梁桥趾处 T 型截面:

?滓=■+■=163.96+16.6=180.7N/mm2

3.支座截面抗剪强度。

上部截面对中和轴的面积矩:S=3630692mm3,

?子=■=■=18.6N/mm2

铺设组合楼板时,应考虑钢梁的稳定问题。

参考文献

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[2]王洪范,王立新.蜂窝梁的应用和计算方法[J].工业建筑.1994(6):33～35

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[4]徐德新,刘华强.蜂窝梁设计中的若干问题[J].建筑结构.1995(3):88～90