模板支撐桁架受力性能的分析

趙滇生，龐璐思

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

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模板支撐桁架受力性能的分析

趙滇生，龐璐思

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

對(duì)一種新型模板支撐桁架進(jìn)行設(shè)計(jì)及加載試驗(yàn)和有限元軟件模擬分析，研究其受力性能，并分析試驗(yàn)和理論差異的原因，進(jìn)而為該種支撐桁架的設(shè)計(jì)及研發(fā)提供參考。

支撐桁架；混凝土樓板；加載試驗(yàn)；有限元分析

隨著早拆模體系的應(yīng)用及新型模板體系的研發(fā)及推廣，與之配套的新型模板支撐體系也更加多樣化。本文設(shè)計(jì)了一種適用于鋼框架中澆筑混凝土樓板的支撐桁架，并對(duì)其受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究和有限元分析，以確定其可靠性，最后對(duì)此類(lèi)桁架的設(shè)計(jì)應(yīng)用提出建議。

1　支撐桁架設(shè)計(jì)及加載試驗(yàn)

1.1支撐桁架設(shè)計(jì)

支撐桁架跨度設(shè)計(jì)為4.1 m，其中兩端節(jié)長(zhǎng)均為1.5 m，中間節(jié)長(zhǎng)1.1 m。根據(jù)施工中澆筑混凝土樓板的一般情況，取定荷載設(shè)計(jì)值為8 kN/m2，支撐分布間距取1.3 m(實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)樓板厚度進(jìn)行調(diào)整)。桁架桿件均采用Q235焊接鋼管，其中上弦桿為φ76×3，下弦桿為φ48×3，腹桿為φ32×2.5；端部連接桿采用Q235無(wú)縫鋼管，規(guī)格為φ63×4；兩端拉桿采用M22標(biāo)準(zhǔn)花籃螺栓，桁架布置見(jiàn)圖1，此支撐桁架經(jīng)PKPM軟件驗(yàn)算安全。

1.2支撐桁架加載試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)加載試驗(yàn)得到支撐桁架弦桿、腹桿、拉桿的內(nèi)力值及跨中撓度值，分析支撐桁架實(shí)際受力性能，并與理論分析值進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)加載方案：試驗(yàn)在圖1所示位置進(jìn)行兩點(diǎn)對(duì)稱(chēng)加載，加載方式為油壓千斤頂通過(guò)分配梁分級(jí)加載，加載前在桿件相應(yīng)位置布置應(yīng)變片、位移計(jì)測(cè)量桿件應(yīng)變及節(jié)點(diǎn)位移，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由于支撐桁架需重復(fù)使用，即受荷作用下應(yīng)將其變形控制在彈性范圍內(nèi)。本試驗(yàn)主要研究分析桁架試件中各桿件在彈性狀態(tài)下的受力情況。

1.3.1撓度及應(yīng)力分析

考慮到支撐桁架在實(shí)際應(yīng)用中上方需擱置模板澆筑混凝土模板，除必須要有足夠承載力外，還需要控制其變形在合理?yè)隙确秶鷥?nèi)，以保證混凝土樓板在成型過(guò)程中具有足夠的平整度。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，桁架結(jié)構(gòu)容許變形不超過(guò)計(jì)算跨度的1/1 000。由于桁架制作時(shí)起拱為10mm，可得試驗(yàn)中允許撓度值為[ν]=13.98mm。試驗(yàn)中荷載逐級(jí)增加，加至70kN時(shí)花籃螺栓因制作缺陷斷裂，加載停止。加載過(guò)程中3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)的P-υ曲線見(jiàn)圖2，撓度隨荷載近似線性變化，最大為9.84mm，在允許撓度內(nèi)。桁架腹桿中拉桿和壓桿分別取3、4兩點(diǎn)分析，上下弦桿應(yīng)力最大均在跨中，分別取應(yīng)變測(cè)點(diǎn)8和10分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得測(cè)點(diǎn)的P-σ曲線，見(jiàn)圖3。

注：圖中表示應(yīng)變片位置，φ表示位移計(jì)(百分表)圖1　桁架尺寸及試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2　桁架位移測(cè)點(diǎn)P-υ曲線

圖3　桁架桿件P-σ曲線

圖3表明試驗(yàn)中桿件應(yīng)力隨荷載的變化呈線性，即桁架在試驗(yàn)加載過(guò)程中處于彈性工作狀態(tài)，由力學(xué)計(jì)算得各桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(表1)，也表明各桿件均未達(dá)到屈服點(diǎn)，強(qiáng)度具有不同程度的富余量。

表1　桿件截面計(jì)算

1.3.2軸力及彎矩分析

由于腹桿與弦桿直接焊接，桿件中同時(shí)存在軸力和彎矩，應(yīng)力應(yīng)為軸力產(chǎn)生的應(yīng)力σN和彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力σM之和，試驗(yàn)中得到桿件同截面對(duì)稱(chēng)位置的應(yīng)力為σ1和σ2，通過(guò)材料力學(xué)知識(shí)分析可知

(1)

解得

(2)

(3)

彎矩公式為

(4)

試驗(yàn)得到桿件軸力N及彎矩M隨荷載P變化曲線分別見(jiàn)圖4、圖5。

圖4　桁架桿件P-N曲線

圖5　桁架桿件P-M曲線

各桿件軸力變化呈線性，彎矩亦近似直線變化，且跨中上下弦桿彎矩值較大，表明桁架在試驗(yàn)加載中基本處于彈性工作狀態(tài)。試驗(yàn)桁架焊接節(jié)點(diǎn)的剛性使其可傳遞一定彎矩，桁架跨中為純彎段，彎矩值較大，且桁架中間節(jié)與兩端節(jié)采用鋼板焊接及高強(qiáng)度螺栓組合節(jié)點(diǎn)連接，兩側(cè)腹桿并未交于一點(diǎn)，從而引起兩側(cè)弦桿有較大彎矩。為分析彎矩次應(yīng)力，將桁架桿件的彎矩應(yīng)力與總應(yīng)力的比值列于表2，其中花籃螺栓因測(cè)點(diǎn)截面難以確定而未列入。

表2　桁架桿件彎矩次應(yīng)力影響　%

由表2表明，模板支撐桁架結(jié)構(gòu)中，彎矩次應(yīng)力影響均未超過(guò)17%，桿件主要為軸力作用。

2　理論對(duì)比分析

為分析桿件之間節(jié)點(diǎn)焊接的剛性，取桁架及剛架兩種模型利用ANSYS軟件進(jìn)行建模分析。從桿件應(yīng)力、跨中撓度值及彎矩次應(yīng)力三方面與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，桿件應(yīng)力及彎矩分析分別見(jiàn)表3、表4，表中對(duì)比值均以桿件類(lèi)型不利分析。跨中撓度值對(duì)比見(jiàn)圖6。

表3　桁架桿件應(yīng)力值對(duì)比

注：σt為試驗(yàn)值；σe1為桁架理論值；σe2為剛架理論值；e1為桁架誤差；e2為剛架誤差；ee為理論值誤差。

e1=(|σt|-|σe1|)/|σe1|；e2=(|σt|-|σe2|)/|σe2|；ee=(|σe2|-|σe1|)/|σe1|

表4　桁架桿件彎矩次應(yīng)力影響對(duì)比

圖6　支撐桁架試驗(yàn)及理論跨中撓度值曲線

分析表3、表4和圖6可知：

1)桁架桿件應(yīng)力試驗(yàn)值與有限元?jiǎng)偧苣Ｐ屠碚撝蹈鼮榻咏邢拊旒苣Ｐ屠碚撝稻笥谠囼?yàn)值，即桿件應(yīng)力分析中，以節(jié)點(diǎn)鉸接簡(jiǎn)化計(jì)算桁架承載力偏保守；

2)桿件彎矩次應(yīng)力的試驗(yàn)值及理論值均較小，表明在支撐桁架中，桿件主要承受軸力作用，理論分析中未考慮中間節(jié)與兩端節(jié)連接節(jié)點(diǎn)兩側(cè)腹桿未交于一點(diǎn)，可能是引起彎矩誤差的主要原因；

3)據(jù)P-υ對(duì)比曲線分析，試驗(yàn)桁架的跨中撓度值最大超過(guò)桁架跨中撓度理論值42%，超過(guò)剛架跨中撓度理論值35%，差異較大。這與試驗(yàn)桁架支座安裝的緊密程度、試件的制作精度、焊接殘余應(yīng)力及應(yīng)力集中等因素有關(guān)。實(shí)際桁架制作時(shí)宜起拱10 mm，以確保桁架撓度不會(huì)超過(guò)跨度的1/1 000。

3　結(jié)　語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)研究和有限元分析，可得以下結(jié)論：

1)本文所設(shè)計(jì)模板支撐桁架承載力滿(mǎn)足施工荷載的要求，可用于鋼框架結(jié)構(gòu)澆筑混凝土樓板。

2)理論分析中未考慮鋼材的初始力學(xué)和幾何缺陷等因素，且簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)計(jì)算，從而導(dǎo)致理論值與試驗(yàn)值存在一定差異。兩者對(duì)比分析表明，支撐桁架計(jì)算按節(jié)點(diǎn)鉸接是可行的。

3)支撐桁架可通過(guò)制作起拱將最大撓度控制在跨度的1/1 000以?xún)?nèi)。

4)由于節(jié)點(diǎn)焊接的剛性及桁架中間節(jié)與兩端節(jié)連接節(jié)點(diǎn)兩側(cè)腹桿未交于一點(diǎn)，支撐桁架桿件中存在彎矩次應(yīng)力，但數(shù)值不大。

[1]沈陽(yáng)建筑大學(xué).JGJ 162—2008建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

Analysis on the Force Performance of the Forwork Support Truss

ZHAO Diansheng, PANG Lusi

1008-3707(2016)01-0015-03

2015-04-23

趙滇生(1957—)，男，浙江義烏人，副教授，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)。

TU323.4

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