圆孔蜂窝梁单轴对称性能研究

周雪枫，李桐，高尚

（1．西安建筑科技大学土木t程学院，陕西西安710055；2．青岛理工大学土木学院，山东青岛266000）

[摘要]为了探究单轴对称截面对圆孔蜂窝梁力学性能的影响，采用有限元分析法建立了125个模型研究截面类型对蜂窝梁的力学性能的影响。研究结果表明，加强受压翼缘的蜂窝梁稳定承载力有较大提高，其强度虽然没有较大幅度的改善，但是内力分布却更加合理。单轴对称蜂窝梁使内力重分布，其力学性能良好。建议在工程中应用单轴对称蜂窝梁。

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关键词 ]蜂窝梁；单轴对称；非线性有限元；应力重分布

[作者简介]周雪枫，硕士，E-mail:18392523407@163.com

[收稿日期]2015-05-11

0引言

蜂窝梁是一种承载力较高，较为经济且美观的构件，目前已经应用于大量工程，取得了很好的经济效益和社会效益。在过去的几十年里，各国学者对蜂窝梁的研究，主要集中在强度、刚度和稳定性这三个方面，而对蜂窝梁的单轴对称性缺乏相应的研究。

加强上翼缘的钢梁可以充分利用钢材的强度，避免造成钢材的浪费，在厂房结构中还有利于管线的合理布设，故有必要对加强上翼缘蜂窝梁的力学性能做一些深入的研究。本文对不同截面类型的蜂窝梁进行系统研究，选取了4种截面类型进行性能评估，采用有限元软件ABAQUS分析了上翼缘加强蜂窝梁的单轴对称截面类型、跨度、开孔率和孔间距对蜂窝梁力学性能的影响。最终选出力学性能最优的截面。

1有限元模型验证

1.1材料本构关系

建立有限元模型时，材料采用Q235钢材，弹性模量为2.06×l05 N／mm2，泊松比为0.3，屈服强度为235N/mm2。弹性剪切模量为G=7.923×104N/mm2。

1.2单元类型和网格划分

采用壳单元模拟蜂窝钢梁的翼缘和腹板，这种单元适合复杂的屈曲行为。单元网格划分如图1所示。

1.3边界条件

用ABAQUS模拟该支座时，通过约束梁一端下翼缘的三个方向的位移，另一端下翼缘的侧向位移及竖向位移，梁两端上翼缘的侧向位移以实现约束端面绕主轴的转动来达到简支效果。

1.4有限元模型验证

为验证ABAQUS的壳单元是否可以精确模拟梁的稳定性能，验证本文边界条件正确性，对工字形实腹梁的稳定承载力进行了对比分析。工字型

进行对比分析。算例截面高h=600mm，上翼缘宽度b1=200mm，下翼缘宽度b2=150mm，腹板t1=9mm，翼缘厚t2=14mm，材料屈服强度为fy=235N/mm2，不同模型的计算长度如表1所示，验证结果如图2所示。

从图2可知，本文建立的有限元模型计算结果和规范计算的结果拟合度较高，误差在5%以内，证明了模型的有效性和正确性。

2翼缘加强方式对蜂窝梁力学性能的影响

2.1翼缘加强方式

为了系统研究加强方式对蜂窝梁力学性能的影响，本文定义加强上翼缘的截面为1A截面，定义加强下翼缘的截面为1B截面，具体截面的参数如图3所示。

2.2构件参数选取和设计

为了研究圆孔单轴对称蜂窝梁1A截面和1B截面的力学性能，选取跨度、开孔率和孔间距等变化参数（见表2）建立有限元模型。

2.3强度性能研究

有限元分析结果如图4～6所示，从图中可以看出：1A截面和1B截面强度承载力结果差别很小，1A截面的承载力稍大于1B截面，1A截面蜂窝梁的受拉翼缘先出现屈服而且屈服面积较大，而1B截面的蜂窝梁受压翼缘先屈服并且很快在截面上形成屈服面。综上得1A截面力学性能较1B好。

2.4稳定性能研究

选取跨度为9m，梁高600mm，腹板厚度9mm，翼缘厚度14mm，上翼缘宽200mm，下翼缘宽150mm，开孔率为0.6，跨度分别为6，9，12，15，18m的一组蜂窝梁，将得到的稳定承载力与上翼缘150mm、下翼缘200m，其他参数均相同的蜂窝梁的稳定承载力做对比，结果如图7所示。

加强上翼缘的蜂窝梁，实际上加强了受压翼缘，对稳定承载力有较大影响。在跨度小于12m时1A截面的稳定承载力提高了60%以上，跨度大于12m时其稳定承载力也提高较大，1A截面经济价值明显，适合用于实际工程中。

3单、双轴对称截面性能研究

3.1截面设计和详图

设计3种不同截面类型的工字形截面，研究单、双轴对称截面对构件强度和稳定性的影响。构件截面尺寸如表3所示。

3种截面构件的跨度均为9m，截面高度600mm，翼缘厚度14mm，腹板厚度9mm，开孔率以及孔间距的数据与表2相同。

对3种截面类型的蜂窝梁的力学性能进行对比研究，对截面类型做出经济性评价。

3.2单、双轴对称截面对强度的影响

单、双轴对称截面对构件强度的影响如图8所示。

从图8可以发现，2B截面类型的蜂窝梁强度承载力最大，2A和2C截面的强度承载力较小，2C截面的强度承载力高于2A。

3种截面的应力云图如图9~11所示。

2A截面受拉翼缘屈服的较多，但受压翼缘屈服较少，其截面并没有屈服，而2B和2C截面几乎上下翼缘同时屈服，形成整个截面的屈服。

3.3单、双轴对称截面对稳定性的影响

单、双轴对称截面对构件稳定性影响如图12所示。

2A截面和2B截面的稳定承载力数值相差很小，都比2C截面的稳定承载力提高了30%以上，而2A截面和2C截面的面积相等，故2A截面有较高的经济价值，适用于实际工程。

4结语

本文通过建立125个有限元模型，分析了单轴对称加强受压翼缘圆孔蜂窝梁的强度和稳定性，得出如下结论。

1)加强受压翼缘的蜂窝梁的强度承载力较加强受拉翼缘没有较大提高，但是对稳定承载力提高在60%以上。

2)与双轴对称蜂窝梁截面相比，加强上翼缘的蜂窝梁强度承载力稍微有点下降，而其稳定承载力下降很小，在面积相同的情况下，加强受压翼缘的蜂窝梁的稳定承载力更高。

3)单轴对称蜂窝梁已经对材料进行了重分布，其力学性能更优，本文建议在工程中应用单轴对称蜂窝梁。