不规则开孔梁试验及有限元参数化分析

陈杰斌

（1.华南理工大学土木与交通学院；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室）

1 引言

随着智能化建筑的发展，建筑需铺设管线越来越多，导致开孔尺寸越来越大。《钢结构设计标准规范》[1]中对开孔梁构造提出要求，但许多实际工程不能满足规范要求。为此许多学者对不满足规范的开孔梁进行研究，研究表明在梁上开孔对钢梁的性能有较大的影响[2-4]。

童乐为[3]通过对9m跨度的开孔型钢梁进行试验研究及数值分析，表明孔口附近的实腹截面应力分布受到开孔的显著影响。熊进刚等[8]对2.5m跨度超大开孔型钢梁进行试验及有限元分析，表明开洞尺寸越大，应力受影响区域越大。张涛[6]对跨度为13m的开孔钢梁进行优化加强后，使得钢梁承载力得到提升。郭家旭[7]等对20组大跨度开孔梁进行有限元分析，分析钢梁的力学性能削弱问题后，给出了洞口加强的方案。

本文针对深圳某超高层大跨度结构开巨型孔梁进行试验及有限元分析，主要研究梁上孔径大小不一的圆形及矩形开孔对钢梁刚度变化及强度的影响。

2 试验研究

本文基于深圳某超高层建筑大跨度梁进行试验及有限元研究，根据工程结构设计荷载（楼板自重3kN/m2、架空地板及吊装恒荷载1.3kN/m2以及楼面活荷载3.5kN/m2），楼面设计总荷载为7.8kN/m2，取中间跨梁进行试验验算（横向跨度为3540mm），梁上线荷载为27.62kN/m。

钢梁结构尺寸和开孔布置如图1-2所示。钢梁截面尺寸为H900×250×16×20，加强板均为16mm厚钢板，钢材型号为Q345。

图1 beam-1梁

3 试验方案

实际工程中梁上设计荷载为均布荷载，本文采用5点加载的方式模拟实际情况进行试验研究。由于试验钢梁截面高宽比较大，因而在试验中设置防面外失稳侧向支撑，保证在加载过程中试件能保持面内变形，具体加载装置如图3所示。

图3 试验加载装置图

由于该大跨度钢梁开孔于主要承受剪力的梁腹板，因而本文根据梁剪力等效原则进行荷载设计，将均布荷载等价为5个集中荷载，梁中点处集中力为150kN，距中点两侧3m及6.6m处各布置一个80kN的加载点，此时可等价于结构设计荷载7.8kN/m2。试验加载时采用3个千斤顶加载，荷载采用分级加载，每级增量为10%设计荷载，当加载到设计荷载1.3倍时若构件尚未破坏，则停止加载。

3.1 钢梁刚度分析

为研究钢梁竖向荷载刚度，测得梁上各加载点在1.0倍设计荷载及1.3倍设计荷载作用下的挠度如图4所示。

图2 beam-2梁

钢梁跨中的荷载-挠度曲线如图5所示。

图5 钢梁力-位移曲线

通过图4-5，在1.3倍等效设计荷载下两根梁基本保持线弹性变形，并且两根试验梁的刚度相近，在设计荷载下跨中最大挠度变形约为跨度的0.17%，小于规范限值1/400；在1.3倍设计荷载下跨中最大挠度变形约为跨度的0.27%，略大于规范值1/400。

根据结构力学可计算不开孔型钢梁在1.0倍及1.3倍的荷载下跨中挠度分别为66.3mm、86.1mm，表明开孔梁通过对孔边加强钢梁变形刚度约增加12%。

3.2 钢梁强度分析

为研究梁上重要位置应力，设置20个应变片进行测量。主要在梁矩形孔及圆孔周边布置应变片监测开孔处应变变化情况，并在梁端支座及加载点处设置应变片监测受集中荷载较大处应变变化情况。

由于试验钢材采用Q345钢材，钢梁板厚均小于40mm，因而设计强度fy=330MPa，取钢材弹性模量E=210GPa可由试验测得应变数据计算得到梁上最大应力如表1所示。

表1 梁上最大应力

当试验梁未开孔，则根据材料力学通过下式计算梁翼缘上最大应力：

当梁上荷载取设计荷载时Mx=1268.8kN·m，当取1.3倍设计荷载时Mx=1660.0kN·m；Wx为钢梁的净截面模量，为6187573.3mm3。因而可计算得到1.0倍及1.3倍设计荷载下梁上的应力分别为205.1MPa、268.3MPa。

通过理论计算及试验表明，型钢梁开不规则巨型孔后，对孔边进行加强则梁上最大应力增量小于20%，并且钢梁强度能满足钢结构设计要求。

4 有限元分析

4.1 有限元建模

本文采用ABAQUS/Standard进行有限元分析，钢材本构采用双折线模型，钢材弹性模量取E=210GPa，屈服应力为345MPa，极限应力为470MPa，最大塑性应变0.2。

钢梁采用线性实体单元减缩积分（C3D8R单元）进行分析，图6为试验与有限元分析跨中力-位移曲线结果对比。

图6 试验与有限元力-位移曲线

由图6可知，有限元分析结果基本与试验结果一致，表明有限元模型受力机理基本与试验梁受力机理一致，因而可由有限元分析来研究开孔钢梁受力机理并进行参数化分析。

4.2 有限元参数化分析

为分析该型钢梁在原始不开孔情况下以及开孔后在孔边不加强情况下梁的刚度变化情况，针对同样的梁进行有限元分析，其跨中力-位移曲线如图7所示

图7 跨中力-位移曲线

不同钢梁跨中的变形刚度如表2所示。

由表2及图7表明，开不规则巨型孔钢梁相对于普通未开孔钢梁，在开孔后若不对孔边进行加强，梁跨中的变形刚度减小约13%，若对孔边进行加强措施，则梁跨中的变形刚度约增加10%。

表2 梁变形刚度

5 结语

通过对开不规则巨型孔大跨度钢梁进行试验及有限元分析，可得出以下结论：

①通过试验研究表明，开不规则巨型孔钢梁通过一定程度加强后，可使在相同荷载下钢梁跨中挠度相较不开孔梁减小12%，但其翼缘外侧最大应力相较未开孔梁约增加20%。因此，对于开孔梁进行加强后，即使其变形刚度增加了，但梁上应力亦有所增加，在设计中需进行验算。

②对钢梁进行有限元参数化分析表明，开不规则巨型孔钢梁相较普通未开孔钢梁，开孔后若不对孔边进行加强，可使梁跨中变形刚度减小约13%；若对孔边进行加强措施，则梁跨中变形刚度约增加10%。由于通过对孔洞加强，增加了远离中心轴两侧钢材面积和钢梁的惯性矩。