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1、蜂窝式钢框架结构设计方法研究摘 要：蜂窝式钢框架结构是一种将蜂窝梁与实腹柱或蜂窝柱通过焊接或螺栓连接而成的新型钢框架结构体系。不但具有传统钢框架结构的技术优势，而且可以充分利用蜂窝梁节省钢材，自重较轻等等优点。采用蜂窝式钢框架结构，可以减小柱子与维护材料的使用，管道由蜂窝孔洞处穿越，可以降低建筑层高。因此，将其利用于多高层建筑中，可以取得较好的综合效益。由于特殊的制作工艺，在相同抗弯承载力下，蜂窝梁的自重相比普通实腹钢梁较轻，从而可以进一步降低结构的地震反应。现今制约蜂窝式钢框架结构发展与应用的主要因素在于，蜂窝梁孔洞参数（包括开孔大小及孔洞位置等）对蜂窝式钢框架结构的整体抗震性能影响规律尚未
2、明确。迄今为止，国内外对蜂窝式钢结构的研究主要集中于蜂窝梁、蜂窝柱等单一构件，对其整体抗震设计方法的研究涉及很少，没有形成系统的蜂窝式钢框架结构设计方法。本文在蜂窝式钢框架结构拟静力试验的基础之上，利用通用有限元分析软件ANSYS进行模拟分析，对不同孔洞形状，扩高比，开孔位置的蜂窝式钢框架结构进行在低周反复荷载作用下的抗震性能分析，得出合理蜂窝梁开孔位置、扩高比的建议取值范围。具体的研究内容及结论如下：对不同扩高比和梁端孔洞位置的单层单跨蜂窝式钢框架结构进行模拟分析，推导出能使梁端塑性铰外移的蜂窝梁第一个孔洞位置设计公式；通过对单层单跨和三层两跨的蜂窝式钢框架结构进行抗震性能分析，验证了公式的
3、适用性；分析了满足此公式下蜂窝式钢框架结构的抗震性能，对设计提出了建议。对单层单跨到三层三跨的蜂窝式钢框架结构进行分析，并通过与实腹钢框架进行延性系数和等效粘滞阻尼系数的对比分析，评价蜂窝式钢框架结构具体的抗震性能；通过框架抗震等级与延性的关系的假设，推导出在不同抗震等级下不同孔洞形状的蜂窝梁扩高比限值。最后总结了本文的研究成果，得到了相关结论，并提出了蜂窝式钢框架结构需要进一步研究的主要内容。关键词：蜂窝梁；钢框架；扩高比；开孔位置；抗震性能；有限元分析AbstractCellular steel frame structure is a new steel frame structure
4、which makes the cellular beam and solid web or cell column connected by welding or bolting. It not only has technical advantages of the traditional steel frame structure, but also can take full use of the cellular beams to save steel and reduce weight etc. Selection of cellular steel frame structure
5、, can reduce the use of columns and maintenance materials. Pipeline going through the cellular holes, can reduce the building storey. Visible, applied it in high-rise buildings, can obtain better economic and social benefits.As a special production process, in the same flexural capacity, the cellula
6、r beam weight lighter than ordinary solid web beams, which can further reduce the seismic response. Now, the main fator of restricting cellular steel frame structure development and application is the regularity affect of cellular beam hole parameters (including the hole size and hole location, etc)
7、. on the overall seismic performance of cellular steel frame is unclear. So far, domestic and foreign researchers most are concentrated on the cellular beams, columns and other individual components, but research on the overall cellular framework for seismic design is little, and systematic cellular
8、 steel frame design methods hasnt formed.In this paper, on the basis of steel frame structure in the cellular quasi-static test，the finite element analysis was used to do simulation analysis. And use the finite element method to anysis seismic performance of different hole shapes, expansion ratio, h
9、ole location of cellular steel frame structure under the effect of cyclic loading effects in the cyclic loading, and matain the cellular beam hole location, the expansion ratio recommended value formula. Specific research content and conclusions are as follows:Simulation analysis on different expans
10、ion ratio and beam hole location of the single-layer, single-span cellular steel frame structure, derived design formulas of cellular beam first hole location which can make the beam plastic hinge outward moving. Through the single-layer, single-span and three -layer, two-span cellular steel frame s
11、tructure seismic performance analysis to verify the usefulness of the formula. On the basis of meeting this formula, analysis the seismic performance cellular steel frame, and put forward design suggestions.Analysis from the single-layer, single-span to three -layer, two-span cellular steel frame st
12、ructure, and comparison of solid-web steel frame ductility coefficient and the equivalent viscous damping coefficient, evaluation of specific seismic performance cellular steel frame structure. Through the presume of frame shear level and ductilitys relationship, derived the limits of cellular beam
13、expansion ratio under different seismic levels.Finally, this paper summarizes the results of research, draws relevant conclusions, and proposes the main content of further study which cellular steel frame structure requires.Key words: cellular beam; steel frame; expansion ratio; hole location; seism
14、ic performance; finite element analysis第一章 绪论1.1 课题研究背景钢结构的应用越来越注重采用材料强度高、结构形式经济合理、承载力大的结构或构件，蜂窝构件正是符合这些要求的一种新型钢结构构件。蜂窝构件是将实腹的型钢构件进行腹板切割后错位焊接而成（见图1.1），相比原型实腹钢构件，可以在不增加用钢量的前提下，将原型钢高度提高1.31.6倍，增大截面抵抗矩，提高抗弯承载力，节省钢材，减轻结构自重，虽然制造费用有所增加，但总造价可以降低15%左右1-2。 图1.1 蜂窝梁加工过程Fig 1.1 Processing of Cellular beam蜂窝梁的孔
15、洞形式有很多，常见的有圆形孔，六边形孔，八边形孔，椭圆形孔（也称修圆形孔），矩形孔等等，其中以圆形孔和六边形孔最为常见。我国对蜂窝梁的应用较早，早在50年代，我国就已经少量应用过蜂窝梁3。虽然只是应用在檩条、挡雨板等一些次要构件之上，但是也为我国蜂窝梁的应用和研究开创了先河。近几年，蜂窝梁的应用越发普遍，特别是在一些大型工程，如湖南会展中心，北京首都机场新航站楼，杭州萧山机场等工程中，都利用了蜂窝梁作为大跨结构梁。然而，这些工程应用中，都将蜂窝梁作为次要结构构件，或是利用蜂窝梁的美观效果和自重较轻的优点，应用于非主要受力构件。国外在蜂窝梁的应用过程中，多将其应用于多高层框架结构梁，如日本“霞关
16、大厦”4，英国“Vulcan大楼”5等。将蜂窝梁应用于框架结构梁，不但可以利用蜂窝梁的大跨优势，减少维护结构和柱子的使用，也可以利用蜂窝孔洞穿越设备管线，从而减小结构高度，增加可利用的建筑高度。制约我国蜂窝梁应用范围的主要原因在于，我国对由蜂窝梁组成的框架结构研究不充分，对于由蜂窝梁和实腹柱，蜂窝梁和蜂窝柱组成蜂窝式钢框架结构的力学性能，特别是抗震性能的研究较少，以至于对其破坏过程，延性和耗能能力，孔洞参数的合理取值范围等等诸多因素，没有系统的研究和科学的把握。1.2 课题研究目的和意义蜂窝式钢框架结构是将蜂窝梁与实腹柱，或蜂窝梁与蜂窝柱连接而成的钢框架结构体系。鉴于上述蜂窝式钢框架结构的优点，蜂窝式钢框架结构可以更好的应用于我国的建筑产业之中。我国是多地震的国家，也是遭受严重地震震害的国家之一，有6度及6度以上地震烈度的地区约占全国总面积的60%，7度及7度以上的城市约占全国城市总数的45%6。抗震性能
