翼缘开洞H 型钢梁的强度研究及其加固措施

刁莉莉

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

0 引言

众所周知，梁的抗弯承载力主要是由翼缘提供的，翼缘应力通常较大;而腹板主要承担梁中剪力，应力较小。许多学者已对钢梁腹板开洞(削弱)［1-4］的情况进行了较为深入的研究，但对翼缘开洞的情况分析的较少［5］，至今未见有相关技术标准或者规定。

经过初步分析可知，钢梁翼缘开洞势必会削弱梁的截面强度和刚度，因此为了满足实际工程钢梁翼缘开洞穿线的需要，本文对钢梁翼缘开洞问题进行系统的有限元分析。一方面分析开洞位置、开洞个数等不同设计条件对钢梁的截面强度和刚度的影响，研究在各种情况下钢梁的极限荷载;另一方面，通过有限元参数分析考察开洞对钢梁翼缘应力的影响，并提出相应的实用加固措施，供设计参考。

1 有限元建模

本文采用通用有限元分析软件ANSYS进行建模分析。选取实际工程中较为常用的 H型钢梁为分析对象，钢材材质为Q345B，截面规格为HN350×175×7×11，开洞个数具体分为开2个洞，开4个洞与开5个洞三种情况。考虑钢梁沿跨度方向受力大小不同，开洞位置取为跨中和距离支座L/5(或者L/6)处。

分析时钢梁模型同时考虑几何非线性和材料非线性。在定义材料的弹塑性时，假定钢材的本构关系为双线性随动强化模式，取钢材的屈服强度为420 N/mm2。材料的弹性模量 E=2.06×105MPa，在达到屈服应力 fy之后，材料的切线模量Et=0.005E=1.03×103MPa，材料的屈服服从 Von-Mises屈服准则，进入塑性之后满足Prandtl-Reuss塑性流动法则。

选取简支梁作为有限元分析对象。为在ANSYS中模拟梁端铰接条件，在梁支座加劲肋处下翼缘一端施加UX，UY，UZ两个方向的线位移约束另一端仅施加UX，UY方向的线位移约束。在梁跨度的1/3点处施加集中荷载。节点网格划分考虑到模型的准确性和网格划分的可实施性，采用映射网格划分，如图1所示。

2 翼缘开洞对钢梁受力的影响

2.1 开洞个数对强度和刚度的影响

分析时取跨度三分点处加载，荷载值取F=250 kN。试件梁跨中的弯矩相等，剪力为零。取开洞个数为2个洞和5个洞的试件进行计算。开洞位置为跨中开洞和弯剪段开洞，相应的荷载—位移曲线见图2。

从图2可以看出:钢梁进入弹塑性阶段之后，随着开洞数的增多，跨中挠度增大，但极限荷载基本相同。由于开洞的影响，洞口周围应力集中，跨中开洞对结构承载力的影响比较大，构件在达到极限荷载时，由于跨中挠度和侧向位移的迅速增长，荷载位移曲线出现负斜率，即钢梁丧失承载能力，开始卸载。

2.2 补强措施分析检验

通过参考美国与澳大利亚腹板开洞规范［6，7］以及我国钢结构节点构造图集［8］中对腹板开洞梁的补强措施，本文采用实用的焊接补强板的方案:在H型钢梁上、下翼缘开洞处内侧各焊接一块钢板，保证结构和构件的安全使用。

分析中取在钢梁跨度1/3点处加载，荷载值取F=250 kN，补强板厚取12 mm。采用翼缘跨中开2个洞未补强、开洞补强与未开洞梁的变形与应力进行研究比较，分析结果比较见表1。

表1 补强钢梁跨中挠度与最大应力

由表1结果对比可知:由于梁翼缘开洞削弱未补强导致了梁变形的增大，孔洞周围应力集中现象明显且应力集中值较大;而且由于开洞处截面不对称，还导致了梁出平面外的变形的增大。翼缘开洞补强后较开洞未补强变形减少，应力集中也有相当程度的缓解，相应的应力集中区域减小很多，由此可见加贴补强板措施对于梁翼缘开洞加固是有效果的。

3 补强后钢梁受力性能的分析

本分析取跨度1/3点处加载，取补强板厚为12 mm时，在跨中和弯剪段分别开4个洞和5个洞时与未开洞钢梁的应力、变形进行对比，分析对于不同位置和不同开洞数量补强措施的可行性。

3.1 弹性极限荷载时的孔周应力集中

根据理论计算求得未开洞梁边缘纤维屈服的荷载为315 kN。

开洞位置分别在钢梁跨中和弯剪段时，未开洞和开洞补强后钢梁孔周应力最大值和跨中挠度值如表2所示。

表2 不同开洞位置不同开孔个数跨中挠度和孔周应力

从表2可以看出，在弹性荷载315 kN以前，所有钢梁都处在弹性阶段，开洞补强后孔周应力有所增大，增大系数大约为1.06，并且跨中挠度略有增大。可见在弹性阶段，补强后开孔对于梁的承载力和刚度影响是相对较小的。

3.2 全截面塑性荷载时的孔周应力集中

根据理论计算求得未开洞梁达到全截面塑性的荷载为360 kN，现在考察在此荷载下，开洞钢梁补强后孔周的应力集中情况。

开洞位置在钢梁跨中和弯剪段时，未开洞和开洞补强后钢梁孔周应力情况分别见图3和图4。

从图3和图4可以看出，荷载超过315 kN以后，构件就进入弹塑性阶段。图3表明当荷载达到360 kN时，孔周横向应力已全部达到最大Von-Mises应力，其较未开洞钢梁应力有所增大，增大系数在1.12～1.13之间，同时伴随着侧向位移不断增大。进入塑性后，补强后的开洞钢梁较未开洞补强前承载力下降，但是在进入塑性后仍有一定的承载力，建议在计算开洞梁截面强度时，不要考虑截面的塑性发展。

4 结语

1)在弹性阶段，钢梁开洞数量并不太影响梁的变形与孔周应力大小;而在弹塑性阶段，开洞钢梁较未开洞补强前承载力下降，但是仍有一定的承载力。从安全角度出发，建议在计算开洞钢梁截面强度时，不要考虑截面的塑性发展。2)通过有限元分析比较，补强后钢梁与未补强钢梁相比，应力集中情况得到了较好的改善，强度也有所增强，证明增焊补强板的加固措施是有效的。3)虽然本文进行了大量的数值计算分析，但是尚缺少相关试验数据的支持，与之相应的试验研究将在后续开展。

［1］谢晓栋，杨 娜，杨庆山.钢结构腹板开洞型节点的参数分析［J］.工业建筑，2006，36(5):76-82.

［2］李 波，杨庆山，茹继平.腹板开孔型钢框架梁柱节点抗震性能试验［J］.哈尔滨工业大学学报，2006，38(8):1303-1305.

［3］茹继平，杨 娜.翼缘削弱型钢框架梁柱节点的性能研究综述［J］.工程力学，2004，2(1):61-66.

［4］戴绍斌，刘文吉.狗骨式刚性连接节点的受力性能试验研究［J］.武汉理工大学学报，2004，26(12):56-58.

［5］吴元莅，郝继平.H型钢框架梁翼缘开洞措施研究［J］.建筑结构，2011，4(1):954-957.

［6］DAVID DARWIN.Steel and composite beams with web openings［J］.American Institute of Steel Construction，2003(10):7-16.

［7］DR MARK PATRICK.Design of simply-supported composite beams with large web penetrations［J］.One steel Manufacturing Pty Limited，2001(5):16-27.

［8］中国建筑标准设计研究院.多、高层民用建筑钢结构节点构造详图01SG519［Z］.