本文是一篇土木工程论文，本文从试验分析、数值模拟、理论推导三个方面对矩形孔蜂窝梁构件力学性能进行研究。针对蜂窝梁进行了两种形式的试验，互为验证并以此为标准创建有限元模型，在此基础上进行合理的理论推导，得出了如下结论：（1）通过电测法试验对加载方式和跨高比不同的蜂窝梁横截面正应力分布进行研究，并比较蜂窝梁与其原型实腹梁和当量实腹梁横截面正应力分布的区别，发现蜂窝梁横截面正应力不再符合平截面假定，而是呈曲线分布；小跨高比蜂窝梁在满跨均布荷载作用下墩心横截面正应力出现“反弯点”；大跨高比蜂窝梁梁桥横截面正应力基本介于当量实腹梁和原型实腹梁之间，小跨高比蜂窝梁则往往超过原型实腹梁；电测试验步骤繁琐，且只能关注点的情况。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
十八世纪末，英国建筑师最早开始使用钢结构建造房屋。一百年后，法国著名地标埃菲尔铁塔的建造促使人们将关注集中于钢结构建筑，并将其用于建造独户住宅。早期人们仅用铸铁、熟铁等制成构件应用于建筑中。十九世纪 80 年代，随着型钢的出现和发展，钢铁以强势的姿态在建筑工程中占领一席之地。钢结构具有自重轻、强度高、建造方便、塑性及抗震性能好等优点[1]。现代钢结构建筑已经成为建筑结构中的一个重要分支，在高层超高层建筑、大跨度公共建筑、工业建筑、桥梁建筑等领域均得到广泛的应用[2]。
建国以来，我国的钢结构发展经历了从“节约用钢”到“广泛用钢”再到“合理用钢”的过程。改革开放之前，由于生产力限制，我国钢材短缺，钢结构在建筑中的使用比例很小。改革开放之后，我国综合国力迅猛发展，生产力极大提高，钢铁工业取得长足进步，建筑钢结构的应用越来越广泛。我国钢结构在大型基础建筑或工业建筑领域应用较为广泛，例如西陵长江大桥、深圳地王大厦、上海金茂大厦等[3]。 然而，与发达国家相比，我国钢结构在建筑工程中的应用比例处于较低水平，尤其在住宅建筑中，钢结构的利用率很低。在美国，钢结构住宅的所占比例为 35%；在日本，由于地震频繁，近28%的住宅为钢结构，尤其是民用住宅；在澳大利亚，大约 25%的建筑采用钢结构，其中冷弯薄壁轻钢结构体系约占新建住宅建筑的 50%[4]。而在我国民用建筑结构体系中，钢结构仅占 5%，与发达国家的 20% ~ 35%相比，仍有广阔的发展空间。上世纪 80 年代至今，我国致力于将钢结构应用于民用住宅等建筑中，多高层钢结构住宅进入高速发展阶段。
伴随科技的高速发展，建筑中各类水电气设备日渐增多，管道系统与排线等布置数量随之增多。一般情况下管道、排线等均沿梁下布置，如此一来，不可避免地会占用楼层空间，不利于美观；也导致建筑自重和楼层高度一定程度增加，从而提高了整个工程的造价。另外，从结构设计角度分析，当建筑结构受风荷载作用时，建筑高度每增加 10%，结构侧移就会增加 46.4%[5]。因此，降低层高以降低不必要的建筑高度对于结构设计意义非凡。在钢梁腹板开孔以便管道电线等穿过，是降低层高从而降低整个建筑高度的有效途径。
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1.2 蜂窝梁简介
1.2.1 蜂窝梁的应用
蜂窝梁以其独特的优势，越来越广泛地应用于现代建筑工程中，尤其在大跨、高层钢结构工程中，蜂窝梁通常作为主要的承弯构件被用作檩条平台梁和屋面梁[7]，近年来也越来越多地应用于装配式住宅中。例如，1968 年，日本的“日本第一高楼”霞关大厦的框架梁部分就采用了蜂窝梁构件；同样地，英国在 2006 年 Vulcan 大楼的设计建造中也采用了蜂窝梁构件；2008 年，中国国际建设有限公司在卡塔尔多哈高层办公楼工程中，应用圆形孔蜂窝梁并进行焊接加工，节约了大量钢材，成功降低了工程成本[8]；2013 年，国家开发银行云南省分行办公楼的主体部分采用了蜂窝钢框架-约束屈曲支撑结构[9]；蜂窝梁在车站、机场、停车场等空间跨度大的建筑中的应用也十分广泛，美观的同时也能更好得适应大跨需求，如北京、青岛、杭州机场等。如图 1.1 所示为蜂窝梁在建筑中的应用。
图 1.1 蜂窝梁在建筑中的应用
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2 矩形孔蜂窝梁构件力学性能电测法试验研究
2.1 电测法概述
本章采用传统的电测法对矩形孔蜂窝梁构件力学性能进行试验研究，即在试件表面粘贴电阻应变片以测试试件的变形情况、使用位移计对试件位移进行测量，并以此为基础对试件的力学性能进行分析。
电阻应变片可将试件受力后产生的应变转化为自身电阻的变化，将试件本身的变形转化为方便接收的电信号。简单来说，电测法测量试件应变的原理[61]为：试件受到荷载作用时，用特殊粘合剂紧密粘贴于其表面的应变片会随之产生相同的形变，这导致应变片阻值发生相应的改变；此时，通过桥式测量电路将电阻值的变化进一步转化为电压的变化，并在模拟电路中将电压信号放大滤波；最后，通过处理电路（A/D 转换和 CPU）[62]把模拟电压信号转换为数字信号，采用应力应变测试系统即可采集数字信号。
电测法测量试件应变具有灵敏度高、精度高、受环境影响小、数据可靠等优点，但由于应变片测量面积小、粘贴加工复杂、变形大小有限，因此只能获得部分分散点的应变数据，在场应变测量以及破坏试验中的难以全面地采集数据，应用有一定局限性。
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2.2 试验方案
2.2.1 试件设计
本试验对蜂窝梁弹性阶段力学性能进行研究，参考 GB/T 706-2016《热轧型钢》规范，结合现实试验条件，选择 10 号和 14 号工字钢进行开孔。两种工字钢牌号均为 Q235B，弹性模量为 210GPa，泊松比 ν 为 0.33，屈服强度yf 为 303Mpa。本试验共设计 8 根蜂窝梁和 4 根实腹梁，其中采用 14 号工字钢直接成孔制作的 4 根，作为试验组；采用 10 号工字钢错位焊接成孔制作的 4 根，作为对照组 1；与蜂窝梁有效长度相同的 10 号工字钢实腹梁 2 根、14 号工字钢实腹梁 2 根，作为对照组 2。蜂窝梁开孔形状均为矩形，扩张比均为 1.4，并在孔的四角进行了圆弧过渡。。所有试件具体尺寸如表 2.1 及图 2.1 所示，图 2.1 中试件按表 2.1 由上到下排序。
表 2.1 蜂窝梁尺寸
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3 矩形孔蜂窝梁构件力学性能光测法试验研究 ................................ 29
3.1 光测法概述 ............................. 29
3.2 光测法试验过程 ................ 29
4 矩形孔蜂窝梁构件有限元数值模拟 ............................ 55
4.1 有限元数值模拟概述 ............................ 55
4.1.1 有限元分析软件概述 ............................. 55
4.1.2 蜂窝梁模型建立 ......................... 55
5 矩形孔蜂窝梁构件挠度简化计算 ............................ 75
5.1 费氏空腹桁架法概述 ......................... 75
5.1.1 费氏空腹桁架法计算假定 ............................... 75
5.1.2 费氏挠度计算公式 ............................... 75
5 矩形孔蜂窝梁构件挠度简化计算
5.1 费氏空腹桁架法概述
由于蜂窝梁腹板开孔，应力分布情况与实腹梁差别很大，因此不能按照实腹梁计算方法进行计算，目前国内外应用最广泛的蜂窝梁简化计算方法基本都是基于费氏空腹桁架法进行的。
5.1.1 费氏空腹桁架法计算假定
费氏空腹桁架法把蜂窝梁视为空腹桁架，认为在外荷载作用下，蜂窝梁梁桥中点和墩腰处均为“反弯点”，把多次超静定结构简化为静定结构进行计算。其计算假定如下：
（1）在纯弯矩作用下，假定梁桥上下两 T 形截面上的弯曲正应力呈矩形分布，桥墩截面弯曲正应力呈线性分布。
（2）假定梁桥中点和墩腰处截面为“反弯点”，并将其看作铰接，上下梁桥各承担一半的剪力。
（3）蜂窝梁桥趾处截面为最大正应力截面，正应力由弯曲正应力和剪力次弯矩产生的最大次弯正应力叠加而成。
图 5.1 标准化后的墩心横截面 X 方向正应力分布曲线
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结论与展望
针对目前研究存在的不足，本文从试验分析、数值模拟、理论推导三个方面对矩形孔蜂窝梁构件力学性能进行研究。针对蜂窝梁进行了两种形式的试验，互为验证并以此为标准创建有限元模型，在此基础上进行合理的理论推导，得出了如下结论：
（1）通过电测法试验对加载方式和跨高比不同的蜂窝梁横截面正应力分布进行研究，并比较蜂窝梁与其原型实腹梁和当量实腹梁横截面正应力分布的区别，发现蜂窝梁横截面正应力不再符合平截面假定，而是呈曲线分布；小
