蜂窝式框架结构的研究现状与展望

摘要： 对蜂窝式钢结构的特点进行了阐述，引出蜂窝钢框架结构，分析了其组成和研究的必要性，并总结了国内外对蜂窝构件及蜂窝框架的研究现状，提出了有待进一步研究的问题。

关键词：蜂窝；蜂窝式钢框架。

中图分类号：V414文献标识码： A 文章编号：

引言

蜂窝式钢结构（Cellular steel frame structure）是主要由蜂窝构件通过焊接或螺栓连接而成的新型钢结构体系。蜂窝构件是对H型钢或工字钢按一定的折线或圆弧线进行切割后错位焊接而成的新型钢结构构件。蜂窝构件按开孔形式分类可分为：六边形、圆形、椭圆形和矩形孔等。这种构件自重轻，抗弯刚度大，承载力高，构件截面高度可达到原来型钢高度的1.3-1.6倍，在同样承载力下比实腹式构件节约钢材25-30%。

蜂窝式钢框架结构，是一种将蜂窝梁与蜂窝柱，或蜂窝梁与实腹柱结合在一起构成的钢框架结构形式。该结构形式不仅具有传统钢框架结构体系的优点，还具有蜂窝构件的自重轻等特点，蜂窝孔洞便于管道的穿越，增加了楼层的净高，适用于多层与高层框架结构。因此，在蜂窝构件研究的基础上，有必要对蜂窝钢框架的性能进行研究。

一、 蜂窝构件的研究现状

国外对蜂窝构件的计算方法研究较早.西方国家大多都将蜂窝构件的设计纳入规范，其中日本钢结构协会编制的《新版H型钢系列》，前苏联规范（CHипⅡ23-81）中，英国钢结构规范（BS5950），已经包含了蜂窝梁的计算公式。

国内对蜂窝构件的使用历史也较长，50-70年代，鞍钢、重钢、攀钢和首钢等冶金企业已经少量地应用过蜂窝梁。迄今为止，国内学者已经分别对蜂窝梁的强度，刚度，稳定性以及对蜂窝柱等方面进行了较为广泛的研究。

2004年广西大学苏益声对六边形和圆形孔的蜂窝梁进行研究，提出这两种蜂窝梁的强度以及稳定简化计算方法，并编制了六边形孔蜂窝梁的承载能力表，和梁的最佳扩张比、梁桥高度和梁墩宽度取值的建议。

2006年，沈阳建筑大学徐晓霞在硕士学位论文《蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定分析》中，在考虑孔洞影响下，通过对比分析实腹和蜂窝压弯构件，研究了蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内的稳定承载力，提出了其在弯矩作用平面内的设计方法。

2008年，沈阳建筑大学耿琳在硕士学位论文《蜂窝式压弯构件弯矩作用平面内稳定承载力计算的试验研究》中，通过实验的方法，比较实腹式与扩高后蜂窝压弯构件平面内稳定极限承载力，从而确定极限荷载的提高幅度；引入换算长细比，修正格构式压弯构件平面内稳定计算公式，给出了蜂窝式压弯构件平面内稳定的计算公式。

还有很多学者对蜂窝构件进行了研究，中南大学周朝阳提出了确定六边形孔、圆形孔的蜂窝梁等效抗弯刚度的方法，提出了蜂窝梁等效刚度的合理表达式，并得到了腹板刚度折减系数表。哈尔滨工业大学吴迪、武岳对蜂窝梁跨度、孔间距、开孔率等参数进行了研究，提出了这些参数对圆形、六边形孔的蜂窝梁的强度、刚度及稳定性的影响。哈尔滨工业大学邵永波、刘洪波、谢礼立进行了楔形蜂窝压弯和悬臂构件静力性能分析，得出了楔形蜂窝构件的近似计算模型。

二、 蜂窝式钢框架的研究现状

蜂窝式钢框架结合了蜂窝梁与蜂窝柱的优点，必将随着城市建设的发展得到广泛的应用。目前，国内对蜂窝式钢框架结构研究还少，从文献上看，基本仅有沈阳建筑大学对此进行了研究。

2009年，沈阳建筑大学王健在硕士学位论文《蜂窝式梁-柱钢框架结构抗震性能分析》中，对蜂窝式钢框架在低周反复荷载作用下进行抗震分析，研究了蜂窝式钢框架结构的受理机理和破坏过程，延性、耗能能力。

2010年，沈阳建筑大学孙宏达在硕士学位论文《蜂窝式梁-柱钢框架结构抗震性能分析》中，通过试验研究和模拟相结合的方式对蜂窝式钢框架进行分析。分析得到蜂窝式钢框架具有良好的延性，抗震性能。并在试验基础之上，建立有限元蜂窝式钢框架结构模型分析，得到在扩高比K=1.3~1.5时，蜂窝式钢框架的刚度退化较为均匀，而且具有良好的延性。

2011年，沈阳建筑大学齐政在蜂窝式钢框架结构拟静力试验的基础之上，利用通用有限元分析软件进行模拟分析，对不同孔洞形状，扩高比，开孔位置的蜂窝式钢框架结构进行在低周反复荷载作用下的抗震性能分析，得出合理蜂窝梁开孔位置、扩高比的建议取值范围。

(a) 蜂窝梁与实腹柱 (b) 蜂窝梁与蜂窝柱

图2 蜂窝式钢框架

三、 有待研究解决的问题

蜂窝构件的研究较多，而蜂窝式钢框架作为一种新型结构，研究相对较少。为获得蜂窝式钢框架的性能，它们都还有有待研究解决的问题。

（1） 目前对普通截面的钢框架结构分析方法越来越完善，而对蜂窝框架的结构分析方法还有待研究。

（2） 针对于蜂窝梁-蜂窝柱的蜂窝框架，框架柱扩高成蜂窝柱后腹板的削弱会造成蜂窝柱的抗剪强度降低，影响蜂窝式钢框架结构抵御地震剪力的能力。因此，应该对蜂窝梁-蜂窝柱钢框架结构进行进一步深入分析，研究其相对的孔洞关系，以满足框架“强柱弱梁”“强节点弱构件”的设计要求。

（3） 蜂窝柱和蜂窝式框架节点在地震作用下的受力性能和破坏形式，通过改变孔洞参数形成强柱弱梁、强节点弱构件的合理抗震体系，考虑混凝土组合楼板的作用时蜂窝框架的抗震性能，影响多层多跨蜂窝式钢框架结构抗震性能的因素，在蜂窝构件制作过程中产生的焊接应力对蜂窝式钢框架性能影响等等更为复杂的力学行为尚无研究。

四、 结语

蜂窝式钢框架相比较于传统钢框架，减轻了自重，降低了成本，当扩高比和孔洞位置合适，能达到框架“强柱弱梁”的要求，这种新型的框架结构形式，建议可在以后的工程中采用。

References

[1] 2011贾连光, 王健. 蜂窝式梁-柱钢框架结构抗震性能分析[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）.

[2] 孙宏达. 蜂窝式梁-柱钢框架结构抗震性能分析[D]. 沈阳: 沈阳建筑大学. 2010

[3] 李成. 多层抗弯钢框架的结构影响系数和位移放大系数[D]. 西安: 西安建筑科技大学, 2008

[4] 陈炯, 路志浩. 论地震作用和钢框架板件宽厚比限值的对应关系(下)―截面等级及宽厚比限值的界定[J].

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。