魏 乐
(大同市二院建筑设计研究有限责任公司，山西大同 037005)
1 项目概述
1.1 项目现状
大同市新成特炭有限公司成立于2007年8月，位于山西省大同市新荣区花园屯乡工业园区。目前公司总资产3.2亿元，拥有压型、一次焙烧、浸渍、隧道窑、石墨化、机加工、包装等炭素制品生产的全部工艺配套车间，产品年综合生产能力已达2万t，是国内最大的特炭生产基地。公司产品远销欧、美、日、德等国家，是大同市出口创汇的骨干企业。大同市新成特炭有限公司在生产特种细颗粒炭素石墨制品的实践中，已摸索出一套成熟的技术制造工艺，并且在生产实践中自主研发和研制出了多项生产技术设备。公司细颗粒特种石墨产品具有结构均匀、耐高温、耐高压、耐腐蚀、抗氧化性强、抗渗透性强、气孔率低等优点，可广泛应用于冶金、机械、耐火、化工、电子、精密仪器铸造、太阳能热发电储热材料、太阳能光伏产业拉制单晶硅用石墨热场等领域，是现代化工业、高新技术发展及新能源开发利用产业必不可少的非金属材料，具有其他产品不可替代的作用。2010年公司被省科技厅、财政厅、国家税务局和地方税务局认定为“高新技术企业”。为我国精密仪器铸造、太阳能光伏产业、太阳能热发电产业等技术领域发展提供新材料技术支撑。由于科学的飞速进步与工业技术的迅速发展，对现代材料的种类及性能不断提出新的要求，其中硅制品在现代材料领域中所占比例尤为突出，特别是在现代光伏产业，电子半导体产业及有机化制造领域，各种硅制品硅材料已是必不可少的最基本也是最基础的生产原料。
鉴于硅制品在新兴材料领域的重要性和广泛性，20世纪60年代以来世界上的工业发达国家对自己的硅工业的发展与产量都十分重视，并在相当长的一段时间内对多晶硅、单晶硅、有机硅的工业化生产技术加以垄断和封锁。在硅产业链条的整体环节中，可以看出多晶硅生产正处于承上启下的产业位置，在多晶硅生产中尽管我国的技术与装备都已处于世界先进水平，但我国的多晶硅制品在国内外市场上的价格都缺乏竞争力，其中关键性的原因之一就是:铸锭槽所用的石墨材料确实需要国外进口。其主要原因是我国的炭素制造产业未能与多晶硅产业的工业生产日益大型化而同步发展，其目前的产品无法满足多晶硅铸锭槽在使用中对炭素材料的大容量、抗氧化、抗高温、抗强性能诸方面的特殊要求，所以如何解决多晶硅石墨铸锭槽的国产化，并且通过使用国产石墨材料来降低多晶硅的制造成本，是本项目的实施原因。本着实业强国的理念，建设10 000 t/年产量的多晶硅铸锭槽生产线的项目被提到了日程。
1.2 项目特点及设计要求
由于工艺的要求，该项目生产车间的跨度为46 m，是典型的大跨度单层钢结构厂房。在初步设计时，关于屋架的设计方案有两个选择:桁架、蜂窝梁，由于设计和施工周期都比较紧张，考虑桁架加工工艺复杂、周期长，最终蜂窝梁以节约钢材、制作简易、防腐性能好等诸多优点成为了业主的选择。
实际上，我们结构常用的计算软件PKPM目前已经具备计算蜂窝梁构件的功能，这给本来非常复杂的蜂窝梁设计带来了便利，但为了保证计算的精准性，笔者参照了相关资料，同时进行了蜂窝梁的手算，本文就以笔者在新成特炭项目中的设计情况，来阐述大跨度工业厂房六边形蜂窝梁的简化计算方法。
2 当前工业厂房中蜂窝梁技术应用情况
自从1987年引入蜂窝梁的概念之后，它们已经成为钢结构发展史上最重要的一个里程碑，它已经被用在了将近二十几个国家的6 500多个大型项目上，是国外房屋建筑中常见的一种构件形式，特别是在大跨度结构中的使用率更高。近年来，蜂窝梁在我国大跨度工业厂房领域的应用也越来越广泛。
蜂窝梁通常是在H形钢腹板上按折线进行切割，最常见的是六边形，当然也可以做成圆孔形，方孔形和折线形等等。很多年来，国内外多数采用的是六边形孔蜂窝梁。故本文仅限于讨论六边形蜂窝梁的简化计算方法。
3 蜂窝梁的特点及关键设计部分
蜂窝梁具有节省钢材、抗弯能力强、蜂窝孔便于管道、管线等直接从孔洞通过，减少了预埋件的使用等特点，另外其蜂窝孔的空透式的布置也获得了很好的视觉效果。错开相焊后就大大的增大了钢梁的高度，从而就增大了截面的惯性矩和抵抗矩，并提高了梁的刚度和强度，这样就可以充分利用钢材的有效率。尤其是对大跨度的工业厂房，在超越普通轻钢门式钢架的设计范围之后，蜂窝梁屋架的成本比相同跨度的桁架减少40%之多，这就更突显出了蜂窝梁的优势，非常受业主欢迎。在蜂窝梁中，有个非常重要的参数:扩张比K=H/h，其中，H为蜂窝梁的截面高度;h为原型工字形钢梁的高度。扩张比越大，相应的蜂窝梁的高度就越高，但蜂窝梁的承载力并不完全成正比，当扩张比增大到某一特定值时，由于空腹处净截面面积的相应减少，剪力产生的次弯矩影响就相应的增大，从而导致承载力降低。在一般的设计中，扩张比一般在1.2～1.7之间，常用的扩张比一般为1.5。
4 蜂窝梁的简化设计
图1中所示的算例蜂窝梁为生产车间的屋架梁形式，根据工艺要求，综合考虑10 kN/m的恒载，5 kN/m的活载，蜂窝梁跨度为23 m，所采用的蜂窝梁截面见图1。
图1 车间的蜂窝梁计算简图
蜂窝梁的强度设计主要包括:正应力验算、剪应力验算以及折算应力验算。
4.1 蜂窝梁的截面正应力计算
在弯矩作用下，应力在上下两个T形截面上均匀的分布，但方向相反，带孔截面处的T形截面部分按常规的框架梁考虑，由于蜂窝梁上下T形截面相同，所以蜂窝梁的实腹与空腹截面的正应力计算可以用普通材料力学公式考虑。
图2中1—1截面的正应力仅由弯矩引起，计算公式为:
其中，W为计算截面的截面抵抗矩。
图2 蜂窝梁正应力的计算简图
实腹截面3—3的正应力计算，虽然也是仅由弯矩引起，但考虑到截面的非平面变形，按下式计算:
其中，W为实腹截面的截面抵抗矩。
图2中2—2和4—4截面的正应力包括弯矩引起的和剪力弯矩引起的正应力(σM，σV)两部分，按下式计算:
其中，WT为T形梁截面腹板边缘处的净截面抵抗矩;l1为空腹处水平段的长度。按我们的假定，最大正应力必定发生在蜂窝梁T形截面部分两端的腹板孔角点上，就是图2中的2—2和4—4截面处，各个截面的正应力分布如图3所示。
由上述材料力学得出的最大墩处实腹截面的强度和孔洞桥址处T形截面的强度比PKPM计算结果略大，误差在5%之内。
4.2 蜂窝梁的剪应力计算
在均布荷载作用下，由于腹板面积有较大的削弱，剪力的影响会相对突出，通常跨中的剪力较小;支座处的剪力较大，由于孔洞做得较小，而实腹处较大，这样会降低剪力引起的应力。抗剪强度设计包括蜂窝梁的实腹截面和空腹截面的竖向剪应力设计，本文仅就实腹截面处的剪应力设计进行详细介绍。图4中1—1实腹截面处的剪应力τ11应根据腹板的净截面面积验算:
其中，ST为T形截面的面积矩，当形心位于腹板内时，取中性轴上部面积对中性轴的面积矩;当形心位于翼缘内时，取腹板自由端至翼缘内表面之间的腹板面积对形心轴的面积矩;IT为桥截面的毛截面惯性矩;tw为腹板厚度;fv为钢材的抗剪强度设计值。
图4 车间蜂窝梁剪应力计算简图
本文对空腹截面2—2处的竖向剪应力设计，不做详细介绍。
4.3 蜂窝梁的折算应力计算
对于蜂窝梁的实腹截面，若同时受较大的正应力、剪应力和局部压应力，还应验算其折算应力:
其中，σ，τ，σc分别为腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力。
之所以σ采用上式所示，是因为考虑了塑性因素，其中y1为计算点至梁中和轴的距离;β1为在边缘处已发生部分的塑性变形，故乘以放大系数来体现塑性效应的有利作用，当σ与σc异号时取 β1=1.2，当 σ 与 σc同号或者 σ =0 时取 β1=1.1。
对于蜂窝梁的空腹截面，应尽量避免局部压应力，当空腹截面同时承受较大的剪应力和正应力时，也需验算其折算应力:
对于空腹截面处，我们取局部压应力为零，故取β1=1.1。
5 挠度验算
在一般的实腹钢梁中，剪力对梁的挠曲变形影响是很小的，所以一般忽略不计，但是蜂窝梁中则不同，剪力的影响并不能忽略，因为剪力会造成T形截面的次弯矩产生挠度，另外剪力造成的剪切变形也会产生挠度，挠度的精确计算比较复杂，多数国家目前均采用估算的方法，由于增大系数是固定的，所以有较大的局限性，有时造成的误差也很大。我们国家的结构计算软件PKPM也是通过乘以挠度增大系数η来得以实现的，不过PKPM的挠度系数并不是固定值，它受扩张比、跨高比、孔形以及截面尺寸比例的影响，其中扩张比和跨高比是影响挠度增大系数的两个主要因素。笔者计算的蜂窝梁的跨高比λ=19.16，挠度系数为η=1.764，因挠度增大系数的得出需要与试验结合，比较复杂，本文暂不讨论。
6 结语
本文简要介绍了新成特炭厂采用蜂窝梁的简化设计过程，在设计中可以发现:在弯剪共同作用下，由于剪力次弯矩的影响，蜂窝梁截面的正应力与实腹梁不同，最大正应力发生在蜂窝孔洞边，离支座最近的孔洞正应力也可能达到最大值，对端孔设计应给予重视。
蜂窝梁的截面形式合理，抗弯刚度大，承载力高和经济效益显著，已经很广泛地应用于大跨度厂房等工程中。一些发达国家早就制定了相应的规范和图集。我国在2006年包头钢铁设计研究院出版的《钢结构设计与计算》第2版，就已经涵盖了关于蜂窝梁的设计与计算的内容，目前我国关于蜂窝梁的规范制定，正在紧锣密鼓的进行中，希望很快就能出版应用，使这种新型的钢结构形式可以得到更广泛的应用。
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［2］包头钢铁设计研究院.钢结构设计与计算［M］.第2版.北京:机械工业出版社，2006.
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