蜂窝梁中 web-post 剪切破坏的行为与设计影响

《Results in Engineering》：Behavior and design implications of web-post shear failure in cellular beams

本研究针对细胞梁中水平剪切失效（WPHSF）模式，通过参数分析和ABAQUS有限元模拟，发现ANSI/AISC 360-16标准低估了其抗剪能力，并提出改进方程（R2=0.9428）和失效位置预测方法（R2=0.9565），有效提升了短跨细胞梁的安全设计精度。

　　### 解读：钢结构中Web-Post水平剪切失效（WPHSF）的特性研究

钢结构在建筑领域中扮演着至关重要的角色，因其高强度、高刚度和良好的延展性，被广泛应用于桥梁、高层建筑和工业设施等。然而，随着结构设计的不断优化，新型钢构件如**空心梁（Cellular Beam）**的应用逐渐增多。这类结构通过在钢梁的腹板上设置规则排列的圆形开口，以增加梁的跨度和承载能力。尽管空心梁在整体性能上具有优势，但其独特的几何特征也使其在局部失效模式方面面临更大的挑战。其中，**Web-Post水平剪切失效（Web-post Horizontal Shear Failure, WPHSF）**被认为是空心梁设计中最关键的局部失效形式之一。然而，关于这一失效模式的研究仍较为有限，尤其是在设计规范与实际结构行为之间的差距方面。

本研究旨在通过系统的参数化分析，揭示WPHSF在空心梁中的特性，并提出改进的预测方程以支持更安全、高效的结构设计。通过对关键参数——**截面尺寸、开口率和细长比**的深入研究，研究者发现当前广泛使用的**ANSI/AISC 360-16设计规范**在预测空心梁水平剪切承载能力时存在偏差，特别是在大截面梁或开口率和细长比较低的情况下，规范明显高估了结构的承载能力。这种偏差可能导致实际工程设计中存在安全隐患，尤其是在短跨度或高度集中荷载的条件下。

### 研究背景与重要性

空心梁作为一种创新的钢结构形式，因其独特的构造方式而受到广泛关注。这类结构通过在传统I型或H型钢梁的腹板上进行切割并重新组装，形成具有周期性圆形开口的结构。这种设计不仅提高了梁的深度，还改变了其应力分布特性，从而影响其整体和局部的力学行为。由于其增强的惯性矩和承载能力，空心梁被广泛用于需要大跨度和通过梁体安装系统（如管道、电缆等）的建筑结构中。

然而，这种独特的几何结构也带来了新的挑战。在梁体的腹板上设置开口会改变其应力分布，可能导致多种局部失效模式，包括**Vierendeel失效**、**腹板屈曲（Web-post Buckling, WPB）**、**水平剪切失效（Web-post Horizontal Shear Failure, WPHSF）**和**弯矩失效**。其中，WPHSF尤为关键，尤其是在短跨度的空心梁中，由于剪切应力集中效应，其发生概率显著增加。然而，由于WPHSF的复杂性和实际工程中缺乏系统的实验研究，当前的设计规范对其预测能力有限。

为了弥补这一研究空白，本研究采用**有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）**方法，对WPHSF的发生机制、承载能力和失效位置进行了系统研究。研究者基于**ANSI/AISC 360-16规范**，构建了一个详细的有限元模型，以模拟不同参数条件下空心梁的行为。通过与实验数据和已有数值研究的对比，研究团队发现当前设计规范在某些情况下高估了结构的承载能力，这可能导致设计偏差，进而影响结构的安全性。

### 研究方法与模型构建

本研究采用**ABAQUS**作为主要的有限元分析工具，构建了多个空心梁模型以评估不同参数对WPHSF的影响。研究者首先对梁的几何参数进行了系统调整，包括截面深度、开口直径、开口间距以及梁的跨度等。这些参数的变化范围是基于初步的WPHSF预测，并结合实际工程需求进行设定的。

在模型构建过程中，研究者采用了**S4R壳单元**，这是一种能够有效模拟薄壁结构行为的单元类型。S4R单元具有六自由度（三个平动和三个转动），能够精确捕捉结构在大变形情况下的响应。通过设置合理的网格密度，研究者确保了模型在关键区域（如腹板区域）具有足够的分辨率，以便准确模拟剪切应力的分布和失效过程。对于非关键区域，如翼缘和腹板的其他部分，采用了相对稀疏的网格以提高计算效率。

为了验证模型的准确性，研究者将模拟结果与**已有的实验数据和数值研究**进行了对比。例如，Warren的实验数据被用作主要的验证依据，其研究涉及不同几何尺寸和跨度的空心梁在三点弯曲试验中的表现。研究者还对比了**Pachpor等人的有限元模型**，以评估其在局部应力分布方面的预测能力。结果表明，所构建的有限元模型在预测梁的荷载-位移曲线、剪切力分布和弯矩变化等方面均表现出较高的精度，与已有研究结果吻合良好。

### 失效模式与行为分析

在研究中，研究者对空心梁在不同荷载条件下的失效模式进行了详细分析。通过观察模拟过程中应力分布的变化，研究团队发现，随着荷载的增加，局部区域（尤其是腹板区域）的应力集中效应逐渐显现。初始阶段，局部屈服出现在开口边缘，随着荷载的进一步增加，这些屈服区域逐渐扩展并最终合并，导致水平剪切失效的发生。在某些情况下，这种失效模式可能与其他失效机制（如Vierendeel失效或腹板屈曲）相互作用，从而形成更为复杂的失效行为。

此外，研究者还发现，**细长比（L/d）**对WPHSF的发生具有显著影响。对于细长比较低的空心梁（即跨度相对较短、截面较深的梁），结构更容易发生局部失效，尤其是在开口率较高的情况下。这表明，设计规范在某些情况下未能充分考虑细长比对结构承载能力的影响，从而导致预测结果与实际行为之间存在偏差。

### 参数化研究与影响因素分析

为了进一步探讨关键参数对WPHSF的影响，研究团队进行了系统的参数化分析。通过对不同截面尺寸、开口率和细长比的组合进行模拟，研究者发现这些参数对空心梁的承载能力具有显著影响。例如，较大的截面尺寸通常意味着更高的刚度和更强的剪切能力，从而延缓WPHSF的发生。然而，如果开口率过高，会导致有效剪切面积减少，进而降低结构的承载能力。

研究者还发现，**开口率**对结构的局部稳定性有直接影响。在某些情况下，高开口率可能引发复杂的失效机制，使得结构在达到极限承载能力之前就发生局部屈曲。因此，设计规范在考虑开口率对结构性能的影响时，可能需要更精细的模型以确保设计的安全性。

另一方面，**细长比**（L/d）的变化对结构的整体行为具有重要影响。对于细长比较高的空心梁，结构更容易发生**侧向-扭转屈曲（Lateral-Torsional Buckling, LTB）**，而这种屈曲可能与WPHSF同时发生，形成交互作用的失效模式。这种交互效应在某些设计情况下可能成为主要的失效机制，因此需要在设计过程中予以充分考虑。

### 预测方程的改进与应用

基于上述分析，研究团队提出了**改进的预测方程**，以更准确地估算空心梁在WPHSF条件下的水平剪切承载能力及失效位置。这些方程是通过对138组参数化模拟数据进行回归分析得出的，其预测精度得到了验证。研究者发现，所提出的方程在预测承载能力时具有较高的相关系数（R2 = 0.9428），而在预测失效位置时，相关系数也达到了0.9565，表明其在实际工程中的应用价值。

改进后的预测方程不仅考虑了**开口率、细长比**和**截面尺寸**等参数，还结合了**几何特性**（如开口位置和截面重心）对失效行为的影响。这一改进有助于设计者在早期阶段准确评估空心梁的承载能力，从而优化设计并确保结构的安全性。

### 结论与未来展望

本研究的主要结论包括：

1. **ANSI/AISC 360-16设计规范**在预测空心梁的水平剪切承载能力时存在偏差，特别是在大截面梁或开口率和细长比较低的情况下，规范高估了结构的承载能力，这可能带来安全隐患。
2. **细长比**和**开口率**对WPHSF的发生具有显著影响，特别是在短跨度和大开口的情况下，结构更容易发生局部失效。
3. **改进的预测方程**能够更准确地估算空心梁在WPHSF条件下的水平剪切承载能力和失效位置，为设计者提供了更可靠的设计依据。
4. **截面几何特性**在控制结构的承载能力和失效位置方面具有重要作用，因此在设计过程中需要充分考虑这些因素。

这些研究成果不仅有助于提高空心梁设计的安全性和效率，也为未来修订设计规范提供了重要参考。通过更精确的模型和预测方法，设计者可以在早期阶段识别潜在的失效模式，并采取相应的措施加以预防。此外，本研究还强调了在实际工程中，应结合具体条件进行详细分析，以确保结构的可靠性和经济性。

在未来的结构设计中，WPHSF的研究仍需进一步深入，特别是在不同材料性能、荷载条件和几何参数组合下的表现。此外，随着新型钢材和制造工艺的发展，空心梁的性能可能会发生变化，因此需要持续的实验研究和数值模拟来验证和更新设计方法。研究团队希望这些成果能够为工程界提供新的视角，并推动更科学的钢结构设计实践。