基于ABAQUS的純彎狀態下六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁整體穩定性對比分析

王 旭，董事爾，溫秋平

(西南石油大學土木工程與建筑學院，四川成都610500)

蜂窩梁是在H型鋼或者工字鋼腹板按照規定的折線或者圓弧線切割后錯位焊接而成的腹板具有孔洞的梁。蜂窩梁腹板開設孔洞，因此可以節約25%～30%的鋼材，減輕鋼結構自重，節約17%～33%的運輸、安裝和油漆的費用，在實際工程中有諸多的經濟效果[1]；蜂窩梁在原來截面的基礎上增高了，截面慣性矩因此而增加，因此增加了鋼梁的承載力[2]；蜂窩梁可以根據需要開設不同形狀的孔洞，美觀、通風、透光而且增加結構凈空高；鑒于蜂窩梁諸多優點的，在實際工程中蜂窩梁具有很大的實用價值，被廣泛運用到實際工程中。

本文利用有限元分析方法分別對六邊形孔懸臂蜂窩梁及圓形孔蜂窩梁整體穩定性進行分析，分析了六邊形孔及圓形孔不同孔況下臨界彎矩，并作圖分析，為實際工程提出建議。

1 有限元分析模型

本文選取兩種不同的截面尺寸及3種不同跨度的懸臂蜂窩梁進行有限元整體穩定性分析，蜂窩梁的幾何參數如圖1所示。對于蜂窩梁的整體穩定性分析時，蜂窩梁的剛度由于腹板開孔而削弱而受到影響，主要是蜂窩梁的開孔高度d與梁總高h之比及開孔間距s與梁總高h之比的影響。考慮開孔對蜂窩梁整體穩定性影響主要是考慮開孔高度計開孔間距對蜂窩梁臨界彎矩的影響，本文假定開孔高度d與開孔間距h之和為蜂窩梁總高，即d+s=h，有限元模型的截面尺寸及跨度如表1所示。

圖1 蜂窩梁的幾何尺寸

構件編號構件規格計算跨度 l/m1400×200×8×134.82400×200×8×1363400×200×8×13124600×200×11×174.85600×200×11×1766600×200×11×1712

利用通用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，三維SHELL建模，采用三角形進行網格劃分，如圖2所示。分析時假定構件本構關系為理想彈塑性模型，屈服準則采用Von-Mises屈服準則，本文采用Q235鋼，鋼材的彈性模量E=2.06×105kN/mm2，泊松比ν=0.3，根據力學知識可以得到G=7.932×104kN/mm2。

圖2 有限元模型

2 計算結果及分析

2.1 有限元計算模型臨界彎矩計算結果

通過有限元計算，六邊形孔及圓形孔蜂窩梁彎扭屈曲變形如圖3所示，蜂窩梁ABAQUS臨界彎矩計算值見表2。

圖3 六邊形孔及圓形孔蜂窩梁彎扭屈曲變形

kN·m

從圖3六邊形孔及圓形孔蜂窩梁彎扭屈曲變形圖可以看出蜂窩梁發生彎扭屈曲時懸臂端發生側向位移并伴隨扭轉，這種失穩形態與實腹式懸臂梁發生彎扭屈曲失穩形態相吻合，因此懸臂蜂窩梁的整體穩定性可以借鑒實腹式懸臂梁整體穩定性分析方法進行分析。

從表2中可以看出，在相同構件截面尺寸的情況下，六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩隨著s/h的增大而減小，也就是隨著蜂窩梁開設孔洞的減小，六邊形孔及圓形孔蜂窩梁臨界彎矩而增大；蜂窩梁腹板開設孔洞越大，對蜂窩梁腹板剛度削弱相應增大，對蜂窩梁的整體穩定性影響就越大；在相同構件截面尺寸、相同跨度、相同孔洞參數情況下，六邊形孔蜂窩梁與圓形孔蜂窩梁的臨界彎矩值相差不到1%，兩者基本相近，從某種角度上說蜂窩梁的整體穩定性與開設孔洞的形狀關系不大。

2.2 有限元計算模型臨界彎矩計算結果作圖

對表2六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態下ABAQUS臨界彎矩值進行作圖，如圖4 ～ 圖6所示。

圖4 構件1、構件2六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態下ABAQUS臨界彎矩值對比

圖5 構件3、構件4六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態下ABAQUS臨界彎矩值對比

圖6 構件5、構件6六邊形孔和圓形孔懸臂蜂窩梁在純彎狀態下ABAQUS臨界彎矩值對比

2.3 有限元計算模型臨界彎矩計算結果比較分析

從圖4～ 圖6可以看出，當s/h<0.5時，六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值大于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值，s/h趨近于0.5時，兩者臨界彎矩值趨近于相等，s/h>0.5時，六邊形孔蜂窩梁臨界彎矩值小于圓形孔蜂窩梁臨界彎矩值，s/h趨近于0.7時，兩者臨界彎矩值又趨近于相等。

這是因為當s/h<0.5時，蜂窩梁整體穩定性受腹板剛 算結果影響不大且偏安全。因此工程中在進行門架式雙排抗滑樁的計算時，筆者認為可以忽略滑動面以上的土體對前后排樁的作用。

4 結束語

隨著我國基礎設施建設的快速發展，以及門架式雙排抗滑樁理論研究的不斷完善，該結構型式已在公路滑坡治理中得到了廣泛應用。由于該結構型式優點比較突出，特別是在處理大型滑坡或樁頂水平位移有嚴格要求的工程中，具有普通抗滑樁無可比擬的優點[1]。因此，隨著該結構型式應用的不斷推廣，合理的確定其結構尺寸，不僅節約工程投資，而且也利于該結構在工程中發揮越來越重要的作用。

[1] 陳戰，王豐.門架式雙排抗滑樁研究現狀和應用前景展望[J]. 公路交通技術,2008,(S2)

[2] 何頤華，楊斌，金寶森,等.雙排護坡樁實驗與計算的研究[J].建筑結構學報,1996,17(2)：58-66

[3] 鄭剛，李欣，劉暢，等.考慮樁土相互作用的雙排樁分析[J].建筑結構學報,2004,(2)

[4] 曹均堅，平揚，朱長歧，等.考慮圈梁作用的深基坑雙排樁支護計算方法研究[J].巖石力學與工程學報,1999,18(6)：709-712