带孔钢梁、蜂窝型钢梁的设计,钢梁腹板开孔的处理
千里之外1
2023年08月28日 14:39:02
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多高层建筑钢结构中,常会遇到管道(如:网线管、水管、电缆管等) 需要穿越钢梁腹板,以避免管道从梁下翼缘穿过带来建筑层高增加,导致建筑建造及维护成本增加的不利影响。 一、钢梁腹板开孔的处理 1、一般般定 不应在距梁端相当于梁高的范围内设孔;抗震设防的结构不应在隅撑范围内设孔。 圆孔口直径不得大于梁高的 1/2。相邻圆形孔口边缘间的距离不得小于梁高的 1/4,孔口边缘至梁翼缘外边的距离不得小于梁高的 1/4。



多高层建筑钢结构中,常会遇到管道(如:网线管、水管、电缆管等) 需要穿越钢梁腹板,以避免管道从梁下翼缘穿过带来建筑层高增加,导致建筑建造及维护成本增加的不利影响。

一、钢梁腹板开孔的处理
1、一般般定

不应在距梁端相当于梁高的范围内设孔;抗震设防的结构不应在隅撑范围内设孔。

圆孔口直径不得大于梁高的 1/2。相邻圆形孔口边缘间的距离不得小于梁高的 1/4,孔口边缘至梁翼缘外边的距离不得小于梁高的 1/4。

矩形孔口与相邻孔口的距离不得小于梁高和矩形孔口长度中之较大值。孔口上、下边缘至梁翼缘外皮的距离不得小于梁高的1/4。矩形孔口长度不得大于750mm,孔口高度不得大于梁高的1/2。


2、孔口补强
圆形孔直径小于或等于 1/3 梁高时,可不予补强。当大于 1/3 梁高时,可用环形加劲肋加强 (图-1a),也可用套管 ( 图-1 b) 或环形补强板( 图-1 c) 加强。

矩形孔口的边缘应采用纵向和横向加劲肋加强 (图 -2)。纵向加劲端部宜伸至孔边缘以外各 300mm。当矩形孔口长度大于梁高时,其横向加劲肋应沿梁全高设置( 图 -2 )。

无论是纵向加劲肋还是横向加劲肋,其截面不宜小于 125mmX18mm。当孔口长度大于 500mm时,应在梁腹板两面设加劲助。

钢梁矩形孔口在被补强后,弯矩可仅由梁翼缘承担,剪力由空口截面的腹板和补强板共同承担。


二、蜂窝型钢梁
1、蜂窝形钢梁的制作

蜂窝形钢梁一般采用热轧 H 型钢再加工而成(如图-3)。加工时,对实腹 H 型钢腹板按折线切割,再用平移或掉头的方法对腹板部位按对接焊接要求进行等强焊接,从而构成截面高度h大于原截面高度 H 的蜂窝型钢梁。

比值 h/H 称为扩张比,常用的扩张比约为 1.5。由于截面高度的扩张,相应地增大了截面惯性矩与抵抗矩,从面提高了钢梁的刚度与受弯承载力,达到节省钢材用量的目的。

2、蜂窝形钢梁的设计
2.1、抗弯强度验算

进行了蜂窝型钢梁在开孔最薄弱截面处的正应力计算时,采用如下假定

(1)在弯矩作用下,应力在上下两个 T型截面上均匀分布,方向相反,如图-4(a)所示。
(2)截面剪力V 按上下T型截面部分的抗剪刚度进行分配,如图-4(b) 所示。由于蜂窝梁上下T型截面部分一般相同,故有
V1=V2=V/2

按上述假定,蜂窝梁的最大正应力位于图示-4(b) 所示的 b 点和 c 点。对于上下 T 型截面部分相同的梁,其抗弯强度验算公式为:

由上式知,弯矩和剪力均产生截面正应力,但一般情况下梁截面的最大弯矩和最大剪力一般不在同一位置,所以产生最大正应力的截面一般不在弯矩最大处和前力最大处。对于受均布荷载作用的简支蜂窝梁,由分析知,控制截面在距两端 x 处附近的蜂窝孔中点处,可按下式计算。

对于其他情况的梁,可近似地对两端第一个孔中央、L/4 处跨度处、L/2 跨度处及较大集中荷载处分别进行计算。

2.2、抗剪强度验算

应分别按下列公式对蜂窝梁孔处腹板净截面和蜂窝孔之间的腹板对接焊缝进行验算参见(图-5)。

2.3、整体稳定验算

蜂窝梁的整体稳定计算与一般实腹工字形梁相同,但其截面特征偏于安全地近似按空腹部分的梁截面计算。

2.4、局部稳定验算
2.5、挠度验算

蜂窝梁的腹板受到较大的削弱,腹板剪切变形将较大,计算梁挠度时需考虑剪切变形影响。实际工程计算时,对于扩张比 h/H≤1.5 的蜂窝梁,挠度可以近似按与蜂窝梁实腹部分等截面实腹梁的弯曲挠度乘以表 -1 中的挠度放大系数来计算。

2.6、构造要求
(1)梁端至第一个蜂窝孔的净跨宜大于250mm
(2)集中荷载作用处一般应设置支撑加劲肋。

3、简支蜂窝形组合梁设计

蜂窝型钢梁如做成组合梁形式,可大大提高梁的正弯矩承载力,因而蜂窝形组合梁的正弯矩承载力与负弯矩承载力差异较大,如设计成连续梁形式不太适宜,故一般蜂窝形组合梁均设计成简支梁形式。

简支蜂窝形组合梁同样应进行施工阶段与使用阶段的两阶段设计。在施工阶段,蜂窝 形组合梁仅由蜂窝型钢梁承受荷载,并应满足全部蜂窝型钢梁的所有设计要求。因而以下仅介绍简支蜂窝形组合梁在使用阶段的设计要求

(1)受弯承载力验算

与实腹式组合梁相同,也采用截面应力塑性设计法,并根据塑性中和轴所处的位置,分别按下列两种情况验算梁的受弯承载力。

当 An · f≤fc · bce · hc1 · α1 时,塑性中和轴位于混凝土翼板内 (图-6),则要求:

当 An · f≤fc · bce · hc1 · α1 时,塑性中和轴位于钢梁高度范围内 (图-7),则要求:

(2)受剪承载力验算

进行蜂窝形组合梁的抗剪计算时,假定由钢梁承受全部剪力,故可按蜂窝型钢梁的抗剪强度验算方法进行蜂窝形组合梁的受剪承载力验算。

(3)栓钉数量计算

同实腹钢梁构成的组合梁。

(4)钢梁翼缘与混凝土翼板的纵向截面受剪承载力验算

同实腹钢梁构成的组合梁。

(5)挠度验算

进行蜂窝形组合梁的挠度计算时,同样需考虑带孔钢梁腹板剪切变形的影响。实际工程计算中,简支蜂窝形组合梁的挠度可近似按截面高度相同的实腹组合梁的挠度乘以增大系数 1.5a-0.5,其中 a 为表-1 给出的同样跨度蜂窝型钢梁的挠度放大系数。

4、组合桁架

当梁的跨度较大时,采用实腹梁可能不经济。此时采用 架梁是一种节省材料的选择。 架钢梁同样可与混凝土楼板通过栓钉组合构成组合 架,如图 -8 所示。

组合 架同样应分施工阶段和使用阶段进行设计。施工阶段仅考虑钢 架承载,使用阶段则由组合 架承载。可将有效楼板宽度范围内的混凝折算成钢材面积,与钢架上弦杆一起构成组合 架的等效上弦杆,进行组合 架的设计。

工程应用上,组合 架一般做成简支形式,其设计要求与实腹组合梁类似,不再赘述。

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