翼緣開洞H 型鋼梁的強度研究及其加固措施

刁莉莉

(西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055)

0 引言

眾所周知，梁的抗彎承載力主要是由翼緣提供的，翼緣應力通常較大;而腹板主要承擔梁中剪力，應力較小。許多學者已對鋼梁腹板開洞(削弱)［1-4］的情況進行了較為深入的研究，但對翼緣開洞的情況分析的較少［5］，至今未見有相關技術標準或者規定。

經過初步分析可知，鋼梁翼緣開洞勢必會削弱梁的截面強度和剛度，因此為了滿足實際工程鋼梁翼緣開洞穿線的需要，本文對鋼梁翼緣開洞問題進行系統的有限元分析。一方面分析開洞位置、開洞個數等不同設計條件對鋼梁的截面強度和剛度的影響，研究在各種情況下鋼梁的極限荷載;另一方面，通過有限元參數分析考察開洞對鋼梁翼緣應力的影響，并提出相應的實用加固措施，供設計參考。

1 有限元建模

本文采用通用有限元分析軟件ANSYS進行建模分析。選取實際工程中較為常用的 H型鋼梁為分析對象，鋼材材質為Q345B，截面規格為HN350×175×7×11，開洞個數具體分為開2個洞，開4個洞與開5個洞三種情況。考慮鋼梁沿跨度方向受力大小不同，開洞位置取為跨中和距離支座L/5(或者L/6)處。

分析時鋼梁模型同時考慮幾何非線性和材料非線性。在定義材料的彈塑性時，假定鋼材的本構關系為雙線性隨動強化模式，取鋼材的屈服強度為420 N/mm2。材料的彈性模量 E=2.06×105MPa，在達到屈服應力 fy之后，材料的切線模量Et=0.005E=1.03×103MPa，材料的屈服服從 Von-Mises屈服準則，進入塑性之后滿足Prandtl-Reuss塑性流動法則。

選取簡支梁作為有限元分析對象。為在ANSYS中模擬梁端鉸接條件，在梁支座加勁肋處下翼緣一端施加UX，UY，UZ兩個方向的線位移約束另一端僅施加UX，UY方向的線位移約束。在梁跨度的1/3點處施加集中荷載。節點網格劃分考慮到模型的準確性和網格劃分的可實施性，采用映射網格劃分，如圖1所示。

2 翼緣開洞對鋼梁受力的影響

2.1 開洞個數對強度和剛度的影響

分析時取跨度三分點處加載，荷載值取F=250 kN。試件梁跨中的彎矩相等，剪力為零。取開洞個數為2個洞和5個洞的試件進行計算。開洞位置為跨中開洞和彎剪段開洞，相應的荷載—位移曲線見圖2。

從圖2可以看出:鋼梁進入彈塑性階段之后，隨著開洞數的增多，跨中撓度增大，但極限荷載基本相同。由于開洞的影響，洞口周圍應力集中，跨中開洞對結構承載力的影響比較大，構件在達到極限荷載時，由于跨中撓度和側向位移的迅速增長，荷載位移曲線出現負斜率，即鋼梁喪失承載能力，開始卸載。

2.2 補強措施分析檢驗

通過參考美國與澳大利亞腹板開洞規范［6，7］以及我國鋼結構節點構造圖集［8］中對腹板開洞梁的補強措施，本文采用實用的焊接補強板的方案:在H型鋼梁上、下翼緣開洞處內側各焊接一塊鋼板，保證結構和構件的安全使用。

分析中取在鋼梁跨度1/3點處加載，荷載值取F=250 kN，補強板厚取12 mm。采用翼緣跨中開2個洞未補強、開洞補強與未開洞梁的變形與應力進行研究比較，分析結果比較見表1。

表1 補強鋼梁跨中撓度與最大應力

由表1結果對比可知:由于梁翼緣開洞削弱未補強導致了梁變形的增大，孔洞周圍應力集中現象明顯且應力集中值較大;而且由于開洞處截面不對稱，還導致了梁出平面外的變形的增大。翼緣開洞補強后較開洞未補強變形減少，應力集中也有相當程度的緩解，相應的應力集中區域減小很多，由此可見加貼補強板措施對于梁翼緣開洞加固是有效果的。

3 補強后鋼梁受力性能的分析

本分析取跨度1/3點處加載，取補強板厚為12 mm時，在跨中和彎剪段分別開4個洞和5個洞時與未開洞鋼梁的應力、變形進行對比，分析對于不同位置和不同開洞數量補強措施的可行性。

3.1 彈性極限荷載時的孔周應力集中

根據理論計算求得未開洞梁邊緣纖維屈服的荷載為315 kN。

開洞位置分別在鋼梁跨中和彎剪段時，未開洞和開洞補強后鋼梁孔周應力最大值和跨中撓度值如表2所示。

表2 不同開洞位置不同開孔個數跨中撓度和孔周應力

從表2可以看出，在彈性荷載315 kN以前，所有鋼梁都處在彈性階段，開洞補強后孔周應力有所增大，增大系數大約為1.06，并且跨中撓度略有增大。可見在彈性階段，補強后開孔對于梁的承載力和剛度影響是相對較小的。

3.2 全截面塑性荷載時的孔周應力集中

根據理論計算求得未開洞梁達到全截面塑性的荷載為360 kN，現在考察在此荷載下，開洞鋼梁補強后孔周的應力集中情況。

開洞位置在鋼梁跨中和彎剪段時，未開洞和開洞補強后鋼梁孔周應力情況分別見圖3和圖4。

從圖3和圖4可以看出，荷載超過315 kN以后，構件就進入彈塑性階段。圖3表明當荷載達到360 kN時，孔周橫向應力已全部達到最大Von-Mises應力，其較未開洞鋼梁應力有所增大，增大系數在1.12～1.13之間，同時伴隨著側向位移不斷增大。進入塑性后，補強后的開洞鋼梁較未開洞補強前承載力下降，但是在進入塑性后仍有一定的承載力，建議在計算開洞梁截面強度時，不要考慮截面的塑性發展。

4 結語

1)在彈性階段，鋼梁開洞數量并不太影響梁的變形與孔周應力大小;而在彈塑性階段，開洞鋼梁較未開洞補強前承載力下降，但是仍有一定的承載力。從安全角度出發，建議在計算開洞鋼梁截面強度時，不要考慮截面的塑性發展。2)通過有限元分析比較，補強后鋼梁與未補強鋼梁相比，應力集中情況得到了較好的改善，強度也有所增強，證明增焊補強板的加固措施是有效的。3)雖然本文進行了大量的數值計算分析，但是尚缺少相關試驗數據的支持，與之相應的試驗研究將在后續開展。

［1］謝曉棟，楊 娜，楊慶山.鋼結構腹板開洞型節點的參數分析［J］.工業建筑，2006，36(5):76-82.

［2］李 波，楊慶山，茹繼平.腹板開孔型鋼框架梁柱節點抗震性能試驗［J］.哈爾濱工業大學學報，2006，38(8):1303-1305.

［3］茹繼平，楊 娜.翼緣削弱型鋼框架梁柱節點的性能研究綜述［J］.工程力學，2004，2(1):61-66.

［4］戴紹斌，劉文吉.狗骨式剛性連接節點的受力性能試驗研究［J］.武漢理工大學學報，2004，26(12):56-58.

［5］吳元蒞，郝繼平.H型鋼框架梁翼緣開洞措施研究［J］.建筑結構，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］中國建筑標準設計研究院.多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖01SG519［Z］.