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蜂窩梁是將寬翼緣的工字鋼(或H型鋼)按一定的折線或圓弧線切割后錯(cuò)位焊接而成的空腹梁。在蜂窩梁的空腹結(jié)構(gòu)中，由上翼緣或下翼緣與部分腹板所組成的T形截面的等截面部分稱為“橋”，蜂窩梁的實(shí)心結(jié)構(gòu)稱為“墩”，橋與墩連接的地方為“橋趾”。由于擴(kuò)張后的截面高度較原工字鋼有較大的增加，從而提高了梁的剛度和承載能力，既節(jié)省了鋼材，又減輕了梁體本身的自重。同時(shí)，蜂窩梁制作簡(jiǎn)單，腹板的空洞既美觀又便于穿設(shè)管線，因此蜂窩梁在工程實(shí)際應(yīng)用中具有很大實(shí)用價(jià)值。
近些年，我國(guó)科技人員對(duì)多邊形孔蜂窩鋼梁作了一些研究，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。圓形孔蜂窩梁比多邊形孔蜂窩梁更合理、更經(jīng)濟(jì)，承載力更高，該梁避免了多邊形孔角部產(chǎn)生的應(yīng)力集中，目前我國(guó)對(duì)圓形孔蜂窩梁的研究應(yīng)用很少。為了進(jìn)一步驗(yàn)證圓孔蜂窩梁的承載力高于六角孔蜂窩梁，筆者通過(guò)對(duì)兩種截面形式的梁進(jìn)行了有限元分析，并驗(yàn)證了圓形孔蜂窩梁要高于六角形孔蜂窩梁的極限承載力。
應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行分析可以達(dá)到較好的效果，根據(jù)國(guó)外一些有關(guān)試驗(yàn)資料與有限元理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較兩者吻合較好，研究表明應(yīng)用有限元分析具有可行性。因此，采用通用有限元軟件ANSYS建立了有限元分析模型，采用三維4節(jié)點(diǎn)SHELL181殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，孔洞周圍用較小的單元細(xì)化。為突出孔洞構(gòu)造對(duì)蜂窩梁受力性能的影響，建模時(shí)忽略了焊縫和焊接殘余應(yīng)力的影響，有限元模型考慮了幾何非線性和材料的非線性，這是因?yàn)椋孩倏紤]幾何非線性可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)模型的大變形，也可以考慮開(kāi)孔處腹板在有初始應(yīng)力基礎(chǔ)上的應(yīng)力重分布，從而可以詳細(xì)研究腹板開(kāi)孔處上下T形截面兩端4個(gè)塑性鉸的形成及其開(kāi)孔處承載力的影響，②考慮材料的非線性，可以充分考慮由于整體作用而引起的上下T形截面在軸力和剪力作用下，抗彎能力的充分發(fā)展。
分析對(duì)象為跨度6 m的簡(jiǎn)支焊接工字鋼梁，梁截面形狀分別為圓孔和六角孔蜂窩梁。梁截面開(kāi)孔率大小分別為30%、50%、70%、75%、80%共5種。
圓孔蜂窩梁開(kāi)孔率為圓孔直徑與梁截面高度的比值，六角孔蜂窩梁開(kāi)孔率為洞口上下邊緣之間的距離(洞口高度)與梁的截面高度比值，梁構(gòu)件選取焊接工字鋼，其截面尺寸和特性。鋼材采用常規(guī)Q235型鋼，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系中簡(jiǎn)化為理想彈塑性曲線，并采用MISES屈服準(zhǔn)則，材料為各項(xiàng)同性，彈性模量取2.06×e5MPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度為230 MPa，加載方式采用沿梁跨度方向施加均布荷載。
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