蜂窝梁在大跨度结构的应用

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摘要：结合蜂窝梁的特点，针对其受力性能进行分析与计算以及在实际大跨度结构中的设计计算，通过蜂窝梁与其他种类梁方案的比较得出，蜂窝梁是一种截面小、承载力大、制作简单和施工周期短的新型梁，应用在实际大跨度结构工程中可以减少建筑层高，从整体上节约建筑造价。

关键词：蜂窝梁；受力性能；大跨度结构；建筑造价

近年来随着我国经济的快速发展，新型建筑体系———钢结构建筑得到大力发展，但是总体形势还是落后于发达国家。对于我国钢结构建筑发展的一个主要限制因素就是造价问题。要促进钢结构建筑在我国的发展，就需要科技工作者努力探索和寻求节约钢材的理论和方式，达到降低钢结构建筑造价的目的。从利用梁的受力特性考虑设计梁的截面结构，近年来应用较多。研究表明，在相同的承载条件下，与实腹梁相比，设计和使用蜂窝梁可减少钢材使用量达到总耗量的25%~30%，同时节省油漆和运输安装费用15％~34.6％，具有良好的经济效益。结合我国国情，更适于在大跨度结构设计中推广应用[1]。

1蜂窝梁的特点

（1）作为一种新兴的钢结构，蜂窝梁在传统钢梁的基础上，采用特定的截面形式进行裁切，重新连接构成一种新型的钢梁。（2）不同的开孔截面形式和开孔数目，可以将蜂窝梁分为圆孔型蜂窝梁、椭圆孔型蜂窝梁，六角孔型蜂窝梁及八角孔型蜂窝梁等。蜂窝梁孔截面形式的不同会影响到梁的整体受力性能。现阶段应用较多的是六角孔蜂窝梁。

2蜂窝梁的受力性能分析方法与计算

2.1正截面强度验算

蜂窝梁的实腹部分强度验算按照实腹梁来验算。蜂窝梁空腹部分T形截面按以下计算：2.1.1截面正应力计算蜂窝梁的空心部分根据T形截面的正应力进行校核。在纯弯曲梁的情况下，空心T形截面的弯曲应力是在弯矩Mx的作用下产生的。如图1（a）所示，其呈现矩形分布。当蜂窝梁受剪力作用时，空心截面中的总剪力根据上下T形截面的刚度分布。每个孔的垂直中心线出现剪力弯矩，如图1（b）所示[2]。规划设计38--根据此计算式中的假定，在图b中，b点和c点处，即在上下对称的截面中，位于腹板角点处的两点，是最大正应力的作用点。根据以上讨论，危险截面一般与弯矩最大的断面或剪力最大的断面不重合。

2.2刚度验算

由于蜂窝梁中腹板开孔的性质，腹板的剪切变形较大，因此在计算蜂窝梁的挠度时，剪切变形的影响非常重要。剪力会造成两个方面的挠度，一方面挠度来自剪力引发的次弯矩，另一方面挠度来自剪力产生的剪切形变。

2.3稳定性验算

蜂窝梁的侧扭屈曲临界弯矩可通过在平面内增加由弯矩作用产生的变形而得到提高。故对蜂窝梁讲，当梁在弹性范围内工作时，不考虑弯矩作用平面内的变形，可借助实腹钢梁整体稳定性公式，计算得到的蜂窝梁临界弯矩是偏于安全的。故现阶段对于蜂窝梁的整体稳定性计算是参照实腹梁的稳定性计算原则，并作修正，计算如式（8）所示。

3蜂窝梁的应用

以内蒙某项目的总调度楼为实例说明。本工程抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。该结构框架，共2层，长57.8m，宽21m，控制中心上部为局部大空间，长36m，宽18m。

3.1当量实腹梁截面估算

根据《钢结构设计标准》附录A的规定，楼盖主梁的挠度允许值为［v］=17560×（1/400）=43.9mm，其挠度增大系数取为η=1.4，所需当量实腹梁的截面惯性矩为：

3.2蜂窝梁切割前型钢截面的确定

蜂窝梁的扩大比，一般在1.2～1.7。由上可知其切割前的高度为800～1100mm，初选H型钢尺寸为H900×300×16×28。

3.3蜂窝梁孔型尺寸的确定及限值

蜂窝梁采用六角形如图2所示，则其相应的尺寸为：

3.4蜂窝梁的计算结果

在不同的扩大比下，蜂窝梁的计算结果见表1。通过表1可发现，随着扩大比的增大，孔洞桥址处T形截面的最大应力逐渐增大，钢材的性能越能充分的发挥。扩大比在1.5附近，蜂窝梁的挠度为最小，此时的应力比为0.78，此时的蜂窝梁有将近20%的富余量，因此扩大比在1.5附近时最为合理。

3.5蜂窝梁的构造要求

（1）在有开孔的翼板处，无论上下，均不应有集中荷载作用；如果这种情况无法回避，可以直接填充和密封腹板上的孔洞，将该处深化为实腹梁。（2）当蜂窝梁的实心腹板部分有集中载荷时，其结构要求可与典型的实心腹板梁相同。即添加加劲肋。如不能设置加劲肋时，需要对有集中荷载作用的腹板进行承载力验算。

4蜂窝梁与其他方案的比较

（1）与混凝土梁相比：蜂窝梁截面小，自重轻，因为在蜂窝梁上做压型钢板组合楼板，一方面可以不用支模板，施工简单，周期缩短，另一方面可以使整个屋面结构形成一个整体，大大增加其抗震性能。（2）与实腹钢梁相比：在承载力相同的情况下，蜂窝梁比实腹梁相比，节省钢材0.92t，约占17.7%。同样在吊顶时不需用再预留其他空间。（3）与桁架相比：桁架制作复杂，施工周期长，防腐除锈费用较高，而且桁架一般适用于较大跨度（18~36m），对于本工程来说，如果用18m跨桁架，由于钢屋架一般比较高，18m跨最高处达2.9m，采用钢屋架势必会增加层高，这一般是工程所不允许的。

5蜂窝梁应用总结

（1）蜂窝梁截面小，承载力大，制作简单，施工周期短，腹板处的孔洞允许管道系统与设备穿过，可以降低建筑层高，大大降低建筑造价。（2）在有局部大空间的混凝土框架结构中，完全可以用蜂窝梁替代混凝土梁。（3）通过几个工程的设计，对于20m跨度以内的结构，蜂窝梁都可以使用，达到一定的经济效果。

参考文献

[1]李鹏飞.蜂窝梁的力学行为研究[D].石家庄：石家庄铁道学院.2008.

[2]苏仁权，许继祥，董伟娜.蜂窝梁受力性能数值分析[J].甘肃科学学报，2019，31（5）：107-112.

[3]柴昶，宋曼华.钢结构设计与计算[M].北京:机械工业出版社，2006.

作者：王燕玲 单位：山西工程职业学院