蜂窝钢梁正截面受弯性能试验设计

吴欣禹，杨 帆，吴金国，郭 凯

（沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168）

蜂窝梁是一种将H型腹板按一定的拆卸方式。在切割后改变位置，重新焊接而成的新型梁。其有许多的开孔形状,原来有六边形和八边形,后来又发展成了圆形孔、矩形孔和椭圆孔等,这些孔根据某种规则依次排开。

由于蜂窝梁腹板开孔，因而相较于实腹梁有许多优点：外观方面更符合审美要求;当整体承载能力相同的情况下,总钢材用量可以节省约25%~30%,并且还可以节省运输安装费与喷漆费用约1/6~1/3。近年来，在高层结构中也广泛应用,蜂窝梁由于腹板中开洞的特性,在保证结构功能与实用的情况下,既可以减少结构层高度,降低自重,也方便在里面布设各类管道,故蜂窝梁在实际工程中有较高的使用价值[1]。由于相较于其他受弯结构,蜂窝梁具有诸多优势,因此，从20世纪初期就在建筑工程中开始使用至今,同时由于出现了大量轧压宽翼缘钢,因此蜂窝梁也在路桥、厂房、船舶和吊车大型桥等建筑工程中被广泛应用。

国外学者在较早时代即对蜂窝梁开展了研究,而且一些国家已经将蜂窝梁的设计纳入相关规范。国内的学者马宏伟等[2]对4根悬臂梁的蜂窝复合梁结构进行了深入研究,提出在负最大弯矩的作用情况下,影响蜂窝复合梁结构的最主要原因为扩张比。彭刚[3]通过针对钢-混凝土连续复合梁所进行的有限元模拟研究,提出了钢-混凝土连续复合梁在负弯矩作用下的抗弯承载力公式,同时针对栓钉的抗剪连接度也做了一定的折减。王文思[4]则利用实际施工情况作为算例,研究了变高度蜂窝梁的承载力状况。张艳霞等[5]人运用实验计算的大量实例,深刻研究了孔高比、距高比以及跨高度对于蜂窝梁挠度的影响。

综合国内外情况来看，针对连续开孔的蜂窝梁试验研究较少，为此本文主要介绍了一种详细的蜂窝梁静力试验的设计方案，希望能够启发读者。

1 试验概况

1.1 试验装置及加载方式

试验装置结构如图1、图2所示。本试验通过沈阳建筑大学结构实验室5000kN多功能大型试验机系统进行试验。

图1 试件加载装置图

图2 试件侧向支撑装置图

所需的具体试验装置：（1）支座：研究的蜂窝梁与蜂窝组合梁是简支梁,试验梁的支座上有支墩,将水管支墩或试验室中专用于结构测试的纯钢支墩支座置于支墩上,将水管支墩用地锚固定于测试地槽内,以提高水管支墩的稳定性;（2）侧向支撑：为防止在试验加载过程中构件出现整体失稳，需要侧向支撑来保证稳定，先在试件上放置两块板，用以固定，同时为避免梁的上下移动影响试验结果，架子上的滑轮稳定由侧向2根螺杆固定。

在变形加载前,应先依次进行预试件加载;预加工承载试件负荷所取得的值约为极限荷载的10%,为能够使两个试件紧贴地组合并更快地迅速进入正常的试件工作运行状态,因而将预试件加载后的负荷取值荷载分三级依次进行变形加载，这样就有了可以长期保持一个比较稳定的试件变形加载范围,同时检查整个试验设备的安全性以及观测仪器的工作状态。然后分级卸载回零,并记录各仪表初值。实践表明，正式试验的成功进行与提前进行的预载试验二者具有密不可分的关系，这是因为许多潜在问题都是在预载试验中被找到并且解决的;按照有限元仿真中蜂窝梁的极限荷载值确定了各级加载负荷限值及其增加级数,各级加载完毕以后,在中间休息约3min以等待全部施加,并观察局部变化,然后实施下级加载。在此过程中要仔细观察构件的状态，在构件到达屈服状态后要从最初的加载方式转为连续加载，,当试件的负荷减少到极限荷载的80%~85%,且不小于屈服荷载后,就标志着试件的结构彻底破坏，这之后用稳压器逐步卸载,完成整个测试过程。

整个结构试验操作过程中,要仔细认真观察试验结构的损坏变形情况并准确记下结构变形破坏位置的先后顺序,并同时记下外部相应的构件加载最大程度，避免构件在加载过程中受到其他阻力影响，以此来保证其具有充分的结构变形损坏空间。同时应该对各个构件的整体平面外稳定耐压状况予以时刻关注,为防止出现构件平面外失稳,必要时可停止试验。

1.2 试验的器材准备及注意事项

试验需要准备位移计、应变片、电烙铁、导线、砂纸、酒精、环氧树脂、固化剂等。试验开始前需用砂纸将各个梁的焊缝和孔洞周围磨平，避免试验中因应力集中而引起孔角撕裂；将支座垫梁、支座、反力架、千斤顶等试验装置安装调整好；用砂纸打磨应变片，并用丙酮溶液清洗干净，接着用胶水将应变片粘在构件上；在浇混凝土之前，须对钢筋和钢梁上翼缘面上做环氧保护；将蜂窝孔处划分网格。

出于安全考虑，要特别注意：(1)在试件安装和吊装时要注意吊点定位,以避免断裂和倾覆;(2)对负载设备应具备充分的安全储备,避免加载时设备损坏;(3)严格遵守操作规程使用加载的设备；(4)加强结构保护,避免试块的损坏和倾斜,对较长细构件设置侧向支承以避免侧向损坏;(5)在试验设备进入破坏阶段时应做好特别保护,以避免碎片飞出,危及人身与实验仪器设备的安全。

1.3 测量内容及方法

荷载的采集采用东华DH3820测试分析系统进行数据采集，利用荷载感应器向计算机输入数据,并监控计算机窗口,以控制加载速度。记录蜂窝结构在发生巨大变形、屈服、损坏等时的最大荷载值;构件的移动通过位移计来测量,采用YHD型位移计,量程为100mm和200mm。为研究蜂窝梁腹板的屈曲状况,就必须测定腹板的侧向位移;为计算构件的实际挠度,必须扣除对支座处位置的影响;构件各个部位的应变情况主要由应变片测得,采用三种型号应变片,分别为BX120-3AA、 BX120-100AA、BX120-3CA。

试验应力测量的主要研究内容:(1)不同跨中心梁加载的各节点连接处不同蜂窝梁的主体位置、负荷;(2)不同蜂窝桥在梁孔周围和蜂窝孔间与梁腹层之间的主体位置应力布置变化情况;(3)不同受力截面的蜂窝钢梁主体翼缘受力应变;(4)在各个混凝土板顶面的受力应变;(5)不同受压应力筋在各个混凝土结构中的主体应力强度分布变化情况;(6)各个混凝土板主体裂缝的形态发展变化状况;(7)各个主体构件的应力破坏形态。

此外,还应通过数码相机等多媒体工具清晰地记录试件在不同阶段的外形变化,主要涉及混凝土裂缝的产生、发展过程,蜂窝梁腹板的平面外变化,蜂窝孔洞的孔角撕裂状况等。

2 结语

本文提出了一种关于蜂窝梁静力试验的详细设计方案，充实了蜂窝梁的试验设计部分。通过该试验方案的设计，我们可以在今后的试验中利用比较实验结果,进一步分析在静力荷载影响下的蜂窝组合连续梁腹板形态,进而根据有限元分析进行加劲肋布置,从而进一步研究楼板设置方法及其开孔率大小对蜂窝连续梁结构的影响规律,丰富蜂窝梁的理论研究,推进蜂窝梁更好更快地应用于各类实际工程中。