輕型三角形可折疊式鋼撐軸心受壓試驗(yàn)研究

張?jiān)聵?ZHANG Yue-lou；劉祥 LIU Xiang；張良蘭 ZHANG Liang-lan；宋生志 SONG Sheng-zhi；彭成波 PENG Cheng-bo；張捷 ZHANG Jie；王立銘 WANG Li-ming

（中建八局新型建造工程公司，上海 200125）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中，為了給上部分片或分塊鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐，常常用到臨時支撐[1]。現(xiàn)階段，最廣泛使用的是重型格構(gòu)式、實(shí)腹或組合鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐[2]。

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常很重，在安裝施工過程中，重型支撐將表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。但對于空間網(wǎng)殼等輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件輕，重型支撐就有些大材小用。為此，我們開發(fā)了可折疊式輕型鋼結(jié)構(gòu)臨時支撐，傳統(tǒng)臨時支撐多為現(xiàn)場焊接或螺栓安裝，該新型支撐可以實(shí)現(xiàn)折疊安裝，更加集成高效；傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)支撐平面形狀多為四邊形，該輕型支撐為三角形，更便于運(yùn)輸和存放；單節(jié)重量輕，可避免機(jī)械吊裝。兩個人即可完成拆裝，有效提高施工效率，節(jié)省成本和工期。

1 試驗(yàn)概況[3]

折疊式輕型支撐主體結(jié)構(gòu)平面形狀為三角形，腹桿和主桿通過中間的旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)連接在一起，上下結(jié)構(gòu)單元段通過公母接頭和三角形平面抱箍連接在一起。

2 試驗(yàn)總體方案

試驗(yàn)總體布置如圖1 所示。對于預(yù)先設(shè)計(jì)的試件進(jìn)行軸向加載[4]。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)景圖

2.1 應(yīng)變監(jiān)測方案

試件的主要承重構(gòu)件為三角形三個角點(diǎn)的立柱。可能發(fā)生整體失穩(wěn)，也可能發(fā)生單肢失穩(wěn)。因此，應(yīng)變片布置在三根立柱的東、南、西、北方向，每根立柱設(shè)置了四個應(yīng)變片布置點(diǎn)，布置點(diǎn)位于距離底座上表面500mm 處。

為了測試除鋼管柱外的其他關(guān)鍵部件的應(yīng)力水平，在輕型支撐下部的三根斜撐上布置了應(yīng)變片。斜撐應(yīng)變片布置在構(gòu)件中間。

測試組件有15 個應(yīng)變片。所有應(yīng)變方向與粘貼構(gòu)件的軸方向一致。

2.2 位移測試方案

為了監(jiān)測三角形支撐結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)加載過程中各個部位豎向位移的實(shí)時變化，在三根立柱處設(shè)置了豎向位移計(jì)。在頂部三角形的重心處同樣放置了一個豎向位移計(jì)，來實(shí)時監(jiān)測在試驗(yàn)過程中重心處的豎直位移。

水平方向上，在三角形支撐頂部還設(shè)置兩個水平位移計(jì)，分別監(jiān)測兩個水平方向上在試驗(yàn)過程中的水平位移變化。

2.3 試驗(yàn)荷載施加方案

荷載施加過程分為預(yù)加載和正式加載。

預(yù)加載由力控制。根據(jù)試驗(yàn)前用ABAQUS 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元分析，結(jié)果顯示本次試驗(yàn)的三角形輕型支撐的屈服載荷為500 噸，故正式試驗(yàn)考慮采用100kN 的預(yù)加載值。

本試驗(yàn)的正式加載過程采用位移控制法。數(shù)字作動器的豎向位移以0.3mm/min 控制的原則向下施加荷載，加載至結(jié)構(gòu)屈服，從最大承載力下降到最大承載力80%時停止試驗(yàn)，試驗(yàn)加載標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 軸心受壓構(gòu)件加載準(zhǔn)則

3 軸心受壓構(gòu)件試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

彈性加載階段過程中，各構(gòu)件受力逐漸增加，各節(jié)點(diǎn)連接正常。到達(dá)極限荷載后，進(jìn)一步加載，三根鋼管柱逐漸屈曲，但南側(cè)鋼管的屈曲最為明顯，屈曲方向垂直于鋼管與斜桿組成的平面，如圖2 所示。南側(cè)鋼管的主要變形發(fā)生在上段，說明底座對于臨時支撐下段可以進(jìn)行有效固定，結(jié)構(gòu)的主要屈服變形發(fā)生在支撐上段。

圖2 試驗(yàn)件變形圖

3.2 支撐的位移結(jié)果

畫出輕型支撐的力與位移關(guān)系曲線，如圖3 所示，根據(jù)力與位移關(guān)系曲線試驗(yàn)結(jié)果可以看出，三角形輕型支撐軸心受壓試件的極限承載力為621.5kN，從圖4 可以看出頂部三角形的重心處豎向位移與三根角部立柱處豎向位移的平均值數(shù)值相近。隨著施加荷載逐步增大，三角形輕型支撐南側(cè)立柱最先發(fā)生失穩(wěn)，豎向位移快速增大，南側(cè)立柱相對于北側(cè)兩根立柱受力狀態(tài)更為不利，另外兩根鋼管柱的豎向位移增加幅度明顯低于發(fā)生了失穩(wěn)的南側(cè)鋼管。

圖3 豎向位移-豎向荷載曲線

圖4 重心處位移與三肢鋼柱位移平均值對比曲線

3.3 支撐的應(yīng)變結(jié)果

3.3.1 角部三根立柱應(yīng)變

畫出輕型支撐的應(yīng)變-豎向荷載關(guān)系曲線如圖5 所示，可以看出，支撐在施加荷載為600kN 以內(nèi)階段，三根立柱的應(yīng)變數(shù)值與豎向荷載基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，構(gòu)件各處截面應(yīng)變分布均勻，各鋼管柱處于軸壓狀態(tài)。

圖5 鋼管應(yīng)變-豎向荷載曲線

荷載超過極限荷載后，南側(cè)鋼管柱應(yīng)變開始減小，西北角和東北角鋼管應(yīng)變增大，說明南側(cè)鋼管失穩(wěn)破壞后，三根鋼管的內(nèi)力重新分配，南側(cè)鋼管的內(nèi)力傳遞給北側(cè)兩個鋼管。同時，從三根鋼管柱的應(yīng)變值可以看出，三根鋼管的應(yīng)變還未達(dá)到屈服應(yīng)變，說明在外荷載作用下，由于幾何非線性影響，輕型支撐構(gòu)件發(fā)生了彈性失穩(wěn)。

3.3.2 斜桿與橫桿應(yīng)變

在試驗(yàn)中，對下部三根斜桿的應(yīng)變進(jìn)行了測試，應(yīng)變-荷載曲線如圖6 所示。從圖中可看出，斜桿在輕型支撐系統(tǒng)試驗(yàn)全過程中應(yīng)變值均較小。當(dāng)豎向荷載加載值低于600kN 時，斜桿在東斜面（S13）上的應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，其他兩根斜桿受壓，此時測得斜桿應(yīng)變數(shù)值較小，應(yīng)變最大值為50με。隨著立柱度過彈性階段，達(dá)到極限承載力后，開始發(fā)生立柱屈曲失穩(wěn)，由于立柱變形，受壓斜桿逐步變?yōu)槭芾睏U，但桿應(yīng)變數(shù)值依舊較小，應(yīng)變最大值為430με，斜桿依然為彈性受力狀態(tài)。

圖6 斜桿應(yīng)變-豎向荷載曲線

輕型支撐橫桿隨著立柱度過彈性階段，達(dá)到極限承載力后，開始發(fā)生立柱屈曲失穩(wěn)，由于立柱變形，受壓橫桿逐步變?yōu)槭芾睏U，應(yīng)變最大值為720με，橫桿依然為彈性受力狀態(tài)。

在本輕型支撐結(jié)構(gòu)中，斜桿與橫桿主要用于增強(qiáng)立柱平面內(nèi)剛度，減少立柱計(jì)算長度系數(shù)，提高受壓構(gòu)件穩(wěn)定性承載力[5]。從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，同一節(jié)段內(nèi)，豎向鋼管在斜桿組成的平面內(nèi)穩(wěn)定性較好，而在斜桿平面外，豎向鋼管由于沒有支承點(diǎn)，使得豎向鋼管在斜桿平面外發(fā)生了失穩(wěn)。

4 結(jié)論[6]

①通過本次輕型支撐系統(tǒng)的軸心受壓承載性能試驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)本次試驗(yàn)的三角形輕型支撐軸心加載彈性承載力為600kN，極限承載力為621.5kN。②在本次試驗(yàn)布置的條件下，由于桿件比較細(xì)長，構(gòu)件均為彈性失穩(wěn)破壞。③輕型支撐系統(tǒng)的構(gòu)件破壞發(fā)生于設(shè)置有可打開活節(jié)的鋼管柱上，對該位置在后續(xù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)進(jìn)一步提高制作精度，并進(jìn)行系統(tǒng)分析該連接對承載力的影響。