基于ABAQUS的纯弯状态下六边形孔和圆形孔悬臂蜂窝梁整体稳定性对比分析

王 旭，董事尔，温秋平

(西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都610500)

蜂窝梁是在H型钢或者工字钢腹板按照规定的折线或者圆弧线切割后错位焊接而成的腹板具有孔洞的梁。蜂窝梁腹板开设孔洞，因此可以节约25%～30%的钢材，减轻钢结构自重，节约17%～33%的运输、安装和油漆的费用，在实际工程中有诸多的经济效果[1]；蜂窝梁在原来截面的基础上增高了，截面惯性矩因此而增加，因此增加了钢梁的承载力[2]；蜂窝梁可以根据需要开设不同形状的孔洞，美观、通风、透光而且增加结构净空高；鉴于蜂窝梁诸多优点的，在实际工程中蜂窝梁具有很大的实用价值，被广泛运用到实际工程中。

本文利用有限元分析方法分别对六边形孔悬臂蜂窝梁及圆形孔蜂窝梁整体稳定性进行分析，分析了六边形孔及圆形孔不同孔况下临界弯矩，并作图分析，为实际工程提出建议。

1 有限元分析模型

本文选取两种不同的截面尺寸及3种不同跨度的悬臂蜂窝梁进行有限元整体稳定性分析，蜂窝梁的几何参数如图1所示。对于蜂窝梁的整体稳定性分析时，蜂窝梁的刚度由于腹板开孔而削弱而受到影响，主要是蜂窝梁的开孔高度d与梁总高h之比及开孔间距s与梁总高h之比的影响。考虑开孔对蜂窝梁整体稳定性影响主要是考虑开孔高度计开孔间距对蜂窝梁临界弯矩的影响，本文假定开孔高度d与开孔间距h之和为蜂窝梁总高，即d+s=h，有限元模型的截面尺寸及跨度如表1所示。

图1 蜂窝梁的几何尺寸

构件编号构件规格计算跨度 l/m1400×200×8×134.82400×200×8×1363400×200×8×13124600×200×11×174.85600×200×11×1766600×200×11×1712

利用通用有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型，三维SHELL建模，采用三角形进行网格划分，如图2所示。分析时假定构件本构关系为理想弹塑性模型，屈服准则采用Von-Mises屈服准则，本文采用Q235钢，钢材的弹性模量E=2.06×105kN/mm2，泊松比ν=0.3，根据力学知识可以得到G=7.932×104kN/mm2。

图2 有限元模型

2 计算结果及分析

2.1 有限元计算模型临界弯矩计算结果

通过有限元计算，六边形孔及圆形孔蜂窝梁弯扭屈曲变形如图3所示，蜂窝梁ABAQUS临界弯矩计算值见表2。

图3 六边形孔及圆形孔蜂窝梁弯扭屈曲变形

kN·m

从图3六边形孔及圆形孔蜂窝梁弯扭屈曲变形图可以看出蜂窝梁发生弯扭屈曲时悬臂端发生侧向位移并伴随扭转，这种失稳形态与实腹式悬臂梁发生弯扭屈曲失稳形态相吻合，因此悬臂蜂窝梁的整体稳定性可以借鉴实腹式悬臂梁整体稳定性分析方法进行分析。

从表2中可以看出，在相同构件截面尺寸的情况下，六边形孔及圆形孔蜂窝梁临界弯矩随着s/h的增大而减小，也就是随着蜂窝梁开设孔洞的减小，六边形孔及圆形孔蜂窝梁临界弯矩而增大；蜂窝梁腹板开设孔洞越大，对蜂窝梁腹板刚度削弱相应增大，对蜂窝梁的整体稳定性影响就越大；在相同构件截面尺寸、相同跨度、相同孔洞参数情况下，六边形孔蜂窝梁与圆形孔蜂窝梁的临界弯矩值相差不到1%，两者基本相近，从某种角度上说蜂窝梁的整体稳定性与开设孔洞的形状关系不大。

2.2 有限元计算模型临界弯矩计算结果作图

对表2六边形孔和圆形孔悬臂蜂窝梁在纯弯状态下ABAQUS临界弯矩值进行作图，如图4 ～ 图6所示。

图4 构件1、构件2六边形孔和圆形孔悬臂蜂窝梁在纯弯状态下ABAQUS临界弯矩值对比

图5 构件3、构件4六边形孔和圆形孔悬臂蜂窝梁在纯弯状态下ABAQUS临界弯矩值对比

图6 构件5、构件6六边形孔和圆形孔悬臂蜂窝梁在纯弯状态下ABAQUS临界弯矩值对比

2.3 有限元计算模型临界弯矩计算结果比较分析

从图4～ 图6可以看出，当s/h<0.5时，六边形孔蜂窝梁临界弯矩值大于圆形孔蜂窝梁临界弯矩值，s/h趋近于0.5时，两者临界弯矩值趋近于相等，s/h>0.5时，六边形孔蜂窝梁临界弯矩值小于圆形孔蜂窝梁临界弯矩值，s/h趋近于0.7时，两者临界弯矩值又趋近于相等。

这是因为当s/h<0.5时，蜂窝梁整体稳定性受腹板刚 算结果影响不大且偏安全。因此工程中在进行门架式双排抗滑桩的计算时，笔者认为可以忽略滑动面以上的土体对前后排桩的作用。

4 结束语

随着我国基础设施建设的快速发展，以及门架式双排抗滑桩理论研究的不断完善，该结构型式已在公路滑坡治理中得到了广泛应用。由于该结构型式优点比较突出，特别是在处理大型滑坡或桩顶水平位移有严格要求的工程中，具有普通抗滑桩无可比拟的优点[1]。因此，随着该结构型式应用的不断推广，合理的确定其结构尺寸，不仅节约工程投资，而且也利于该结构在工程中发挥越来越重要的作用。

[1] 陈战，王丰.门架式双排抗滑桩研究现状和应用前景展望[J]. 公路交通技术,2008,(S2)

[2] 何颐华，杨斌，金宝森,等.双排护坡桩实验与计算的研究[J].建筑结构学报,1996,17(2)：58-66

[3] 郑刚，李欣，刘畅，等.考虑桩土相互作用的双排桩分析[J].建筑结构学报,2004,(2)

[4] 曹均坚，平扬，朱长歧，等.考虑圈梁作用的深基坑双排桩支护计算方法研究[J].岩石力学与工程学报,1999,18(6)：709-712