不規則開孔梁試驗及有限元參數化分析

陳杰斌

（1.華南理工大學土木與交通學院；2.華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室）

1 引言

隨著智能化建筑的發展，建筑需鋪設管線越來越多，導致開孔尺寸越來越大。《鋼結構設計標準規范》[1]中對開孔梁構造提出要求，但許多實際工程不能滿足規范要求。為此許多學者對不滿足規范的開孔梁進行研究，研究表明在梁上開孔對鋼梁的性能有較大的影響[2-4]。

童樂為[3]通過對9m跨度的開孔型鋼梁進行試驗研究及數值分析，表明孔口附近的實腹截面應力分布受到開孔的顯著影響。熊進剛等[8]對2.5m跨度超大開孔型鋼梁進行試驗及有限元分析，表明開洞尺寸越大，應力受影響區域越大。張濤[6]對跨度為13m的開孔鋼梁進行優化加強后，使得鋼梁承載力得到提升。郭家旭[7]等對20組大跨度開孔梁進行有限元分析，分析鋼梁的力學性能削弱問題后，給出了洞口加強的方案。

本文針對深圳某超高層大跨度結構開巨型孔梁進行試驗及有限元分析，主要研究梁上孔徑大小不一的圓形及矩形開孔對鋼梁剛度變化及強度的影響。

2 試驗研究

本文基于深圳某超高層建筑大跨度梁進行試驗及有限元研究，根據工程結構設計荷載（樓板自重3kN/m2、架空地板及吊裝恒荷載1.3kN/m2以及樓面活荷載3.5kN/m2），樓面設計總荷載為7.8kN/m2，取中間跨梁進行試驗驗算（橫向跨度為3540mm），梁上線荷載為27.62kN/m。

鋼梁結構尺寸和開孔布置如圖1-2所示。鋼梁截面尺寸為H900×250×16×20，加強板均為16mm厚鋼板，鋼材型號為Q345。

圖1 beam-1梁

3 試驗方案

實際工程中梁上設計荷載為均布荷載，本文采用5點加載的方式模擬實際情況進行試驗研究。由于試驗鋼梁截面高寬比較大，因而在試驗中設置防面外失穩側向支撐，保證在加載過程中試件能保持面內變形，具體加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗加載裝置圖

由于該大跨度鋼梁開孔于主要承受剪力的梁腹板，因而本文根據梁剪力等效原則進行荷載設計，將均布荷載等價為5個集中荷載，梁中點處集中力為150kN，距中點兩側3m及6.6m處各布置一個80kN的加載點，此時可等價于結構設計荷載7.8kN/m2。試驗加載時采用3個千斤頂加載，荷載采用分級加載，每級增量為10%設計荷載，當加載到設計荷載1.3倍時若構件尚未破壞，則停止加載。

3.1 鋼梁剛度分析

為研究鋼梁豎向荷載剛度，測得梁上各加載點在1.0倍設計荷載及1.3倍設計荷載作用下的撓度如圖4所示。

圖2 beam-2梁

鋼梁跨中的荷載-撓度曲線如圖5所示。

圖5 鋼梁力-位移曲線

通過圖4-5，在1.3倍等效設計荷載下兩根梁基本保持線彈性變形，并且兩根試驗梁的剛度相近，在設計荷載下跨中最大撓度變形約為跨度的0.17%，小于規范限值1/400；在1.3倍設計荷載下跨中最大撓度變形約為跨度的0.27%，略大于規范值1/400。

根據結構力學可計算不開孔型鋼梁在1.0倍及1.3倍的荷載下跨中撓度分別為66.3mm、86.1mm，表明開孔梁通過對孔邊加強鋼梁變形剛度約增加12%。

3.2 鋼梁強度分析

為研究梁上重要位置應力，設置20個應變片進行測量。主要在梁矩形孔及圓孔周邊布置應變片監測開孔處應變變化情況，并在梁端支座及加載點處設置應變片監測受集中荷載較大處應變變化情況。

由于試驗鋼材采用Q345鋼材，鋼梁板厚均小于40mm，因而設計強度fy=330MPa，取鋼材彈性模量E=210GPa可由試驗測得應變數據計算得到梁上最大應力如表1所示。

表1 梁上最大應力

當試驗梁未開孔，則根據材料力學通過下式計算梁翼緣上最大應力：

當梁上荷載取設計荷載時Mx=1268.8kN·m，當取1.3倍設計荷載時Mx=1660.0kN·m；Wx為鋼梁的凈截面模量，為6187573.3mm3。因而可計算得到1.0倍及1.3倍設計荷載下梁上的應力分別為205.1MPa、268.3MPa。

通過理論計算及試驗表明，型鋼梁開不規則巨型孔后，對孔邊進行加強則梁上最大應力增量小于20%，并且鋼梁強度能滿足鋼結構設計要求。

4 有限元分析

4.1 有限元建模

本文采用ABAQUS/Standard進行有限元分析，鋼材本構采用雙折線模型，鋼材彈性模量取E=210GPa，屈服應力為345MPa，極限應力為470MPa，最大塑性應變0.2。

鋼梁采用線性實體單元減縮積分（C3D8R單元）進行分析，圖6為試驗與有限元分析跨中力-位移曲線結果對比。

圖6 試驗與有限元力-位移曲線

由圖6可知，有限元分析結果基本與試驗結果一致，表明有限元模型受力機理基本與試驗梁受力機理一致，因而可由有限元分析來研究開孔鋼梁受力機理并進行參數化分析。

4.2 有限元參數化分析

為分析該型鋼梁在原始不開孔情況下以及開孔后在孔邊不加強情況下梁的剛度變化情況，針對同樣的梁進行有限元分析，其跨中力-位移曲線如圖7所示

圖7 跨中力-位移曲線

不同鋼梁跨中的變形剛度如表2所示。

由表2及圖7表明，開不規則巨型孔鋼梁相對于普通未開孔鋼梁，在開孔后若不對孔邊進行加強，梁跨中的變形剛度減小約13%，若對孔邊進行加強措施，則梁跨中的變形剛度約增加10%。

表2 梁變形剛度

5 結語

通過對開不規則巨型孔大跨度鋼梁進行試驗及有限元分析，可得出以下結論：

①通過試驗研究表明，開不規則巨型孔鋼梁通過一定程度加強后，可使在相同荷載下鋼梁跨中撓度相較不開孔梁減小12%，但其翼緣外側最大應力相較未開孔梁約增加20%。因此，對于開孔梁進行加強后，即使其變形剛度增加了，但梁上應力亦有所增加，在設計中需進行驗算。

②對鋼梁進行有限元參數化分析表明，開不規則巨型孔鋼梁相較普通未開孔鋼梁，開孔后若不對孔邊進行加強，可使梁跨中變形剛度減小約13%；若對孔邊進行加強措施，則梁跨中變形剛度約增加10%。由于通過對孔洞加強，增加了遠離中心軸兩側鋼材面積和鋼梁的慣性矩。