托臂支架的承載力試驗研究

李光園，盛桂琳，金 嶺，劉 昕，杜文風

(1.河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475004；2.河南安諾尼建筑科技有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著現代化城市進程的發展，綜合管廊主體結構的設計和建設已經走向成熟，托臂支架在綜合管廊中的應用也變得日益廣泛[1-3]。由于裝配式托臂支架的性能優越，所以它逐漸取代傳統支架在綜合管廊中的應用。文獻[4-5]對新型裝配式支架體系的構件組成及施工安裝優點進行了歸納。

托臂支架通常作為附屬設備，一般參照相近專業的標準進行設計。文獻[6-7]研究了支架的選用原則和設計原則，可為支架在實際工程中的應用提供理論依據。近些年來，中國一些學者開始對托臂支架力學性能進行試驗研究，并通過有限元的方法對托臂支架進行數值模擬分析。文獻[8]采用有限元仿真對復合材料托臂支架的承載力進行模擬，與試驗有良好的擬合結果。文獻[9-11]對托臂支架的布置與應用做了深入研究，提出了托臂支架在電力管廊中的線路鋪設方法。文獻[12]根據托臂支架的受力形式，給出了電力通信托臂支架的計算模型，為托臂支架在工程中的承載力和位移計算提供了有效參考。文獻[13]通過有限元分析軟件對托臂支架進行模擬分析，得到托臂支架的應力、應變、位移云圖，可為托臂支架的設計提供可靠依據。文獻[14]基于ANSYS軟件對管線支架的抗震性能進行了相應的研究。文獻[15]對三類支架進行擬靜力試驗，得出各類支架抗震的極限承載力。文獻[16]通過控制方鋼長度、托臂層數以及托臂形狀，對托臂支架的承載力進行了探討，發現雙層異形鋼截面的托臂支架承載力最大。文獻[17]利用ABAQUS軟件，對新型空間薄壁碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)豆莢桿式托臂支架進行了數值模擬，對不同壁厚、鋪層及長細比參數進行了模擬分析，得出不同參數對承載力的影響。文獻[18-20]通過對托臂支架進行靜力有限元分析，找出托臂容易破壞的位置并進行優化，提高了托臂支架的承載力。

綜上所述，目前對托臂支架在正常使用極限狀態下力學性能的研究比較少，對承載力試驗的研究也相對缺乏。研究影響托臂支架承載力的因素，主要集中在對托臂支架長度、厚度以及托臂支架的截面形式方面，而對于通過優化托臂支架底部來提高承載力的研究甚少。本文通過對4組托臂支架底部加方管，以及對2組在底部附加支撐的不可調節托臂支架進行試驗。同時，以同樣的加載方式對2組固定角度的可調節托臂支架進行了試驗分析，得出影響托臂支架承載力的關鍵因素。本文對可調節托臂支架的承載力進行了試驗研究，以期為可調節托臂支架在工程應用中提供理論基礎。

1 試驗

通過改變不可調節托臂支架的螺孔個數、螺孔位置、方管尺寸、底板厚度和底板加撐等變量來研究不可調節托臂承載力大小。采取同樣的加載方式，對兩種可調節托臂支架進行試驗加載。

在河南大學平衡加載試驗機上對8組足尺托臂支架進行承載力試驗加載，可以得到托臂支架的承載力大小以及槽口下滑位移值。對試驗結果進一步分析，得出優化托臂支架承載力的方案。

1.1 托臂支架的類型

托臂采用MQ-72型槽鋼，槽鋼內卷邊帶有鋸齒，具有抗剪、止滑、抗沖擊等功能，并能與相關配件形成良好的配合。槽鋼帶有特制凹槽，增加了槽鋼的抗彎能力。本次試驗選取的兩類托臂支架模型如圖1所示。

第1類： 可調節托臂支架，如圖1a所示。這類托臂支架可以根據工程實際需要調節托臂支架的角度，有底板厚12 mm的絲桿式可調節托臂支架和底板厚8 mm的鎖扣式可調節托臂支架兩種。

第2類： 不可調節托臂支架。具體包括6種：①一個螺栓孔，方管長100 mm； ②兩個螺栓孔，方管長100 mm； ③兩個對角孔，方管長150 mm； ④兩個中心孔，方管長150 mm； ⑤在托臂支架底板上附加梯形支撐，如圖1b所示； ⑥在托臂支架底板上附加橫板支撐。

(a) 可調節托臂支架(b) 附加梯形支撐的不可調節托臂支架

1.2 加載方案

首先，將托臂支架固定在平衡加載試驗機上，分別在距離托臂支架槽口150 mm、350 mm和550 mm位置分級加載，加載裝置的布置如圖2所示。在對托臂支架施加荷載時，槽口處的位移最大，為了更準確地繪制荷載位移關系圖，把位移計安裝在托臂支架槽口邊緣處。在試驗加載過程中，將位移計表座安裝在穩定的約束支座上，防止外界因素對試驗測量值產生干擾。

圖2 加載裝置的布置

試驗采用分級加載，每級荷載加載過后，觀察托臂支架的變化情況，記錄槽口下滑的位移值。每級荷載持續加載的時間為2 min,根據托臂支架的種類不同，加載的方式略有不同。為了準確地測量各個支架的承載力以及托臂支架的位移變化，減小試驗誤差，對同種托臂支架施加的荷載變化要求一致。

兩類托臂支架的具體加載方式如下：

(1)將可調節托臂支架角度調節為145°，使托臂支架保持水平，然后開始進行試驗加載。可調節托臂支架依次施加載荷值為4.0 kN、4.5 kN、5.5 kN、6.0 kN、6.5 kN、7.0 kN和7.5 kN等，每增加0.5 kN為一級，直到托臂支架無法繼續加載為止。記錄每次施加載荷時槽口下滑位移值，并仔細觀察和記錄每次施加載荷時托臂支架的破壞情況。

(2)不可調節托臂支架依次施加載荷3.5 kN、5.6 kN、6.5 kN、7.0 kN、8.0 kN和9.0 kN等，后續每增加1.0 kN為一級，直到托臂支架無法繼續施加載荷為止。記錄每次施加載荷時槽口下滑位移值，并仔細觀察和記錄每次施加載荷時托臂支架的破壞情況。

2 試驗過程描述及分析

記錄兩種可調節托臂支架的試驗現象如下：

對底板厚度為12 mm的絲桿式可調節托臂支架進行試驗加載，可得：當加載荷載為4.0 kN時，槽口下滑位移值為34.8 mm，絲桿輕微變形，固定塊稍微有所傾斜。荷載加載到5.5 kN時，槽口下滑位移值為44.1 mm，絲桿明顯變形，固定塊稍微有所傾斜。繼續加載到7.0 kN時，底板與工裝間出現裂縫，底板無彎曲，槽口下滑位移較大，托臂支架無法繼續加載，如圖3a所示。

對底板厚度為8 mm的鎖扣式可調節托臂支架進行試驗加載，可得：當加載荷載為4.0 kN時，槽口下滑位移值為37.6 mm，底板無明顯變化。荷載加載到6.5 kN時，底板輕微變形。繼續加載到7.0 kN時，底板輕微變形，鎖扣滑移1 mm。繼續加載到7.5 kN時，底板明顯變形，鎖扣出現明顯裂縫，而且鎖扣滑移2 mm，槽鋼低孔處發生變形，槽口下滑位移較大，托臂支架無法繼續加載,如圖3b所示。

(a) 絲桿式可調節托臂支架 (b) 鎖扣式可調節托臂支架

記錄6種不可調節托臂支架的試驗現象如下：

第①種不可調節托臂支架承載力試驗：當加載荷載為3.5 kN時，槽口下滑位移值為12.1 mm，整個托臂支架無明顯變化。當加載荷載為5.6 kN時，槽口下滑位移值為24.6 mm，此時托臂支架與套筒之間出現明顯縫隙。繼續加載至荷載為7.0 kN時，槽口下滑嚴重，與套筒之間的縫隙進一步增大，托臂支架無法繼續加載,如圖4a所示。

第②種不可調節托臂支架承載力試驗：當加載荷載為3.5 kN時，槽口下滑位移值為26.4 mm，底板輕微變形，方管受壓變形。當加載荷載為5.6 kN時，槽口下滑位移值為56.9 mm，底板出現變形，方管受壓也發生明顯變形。繼續加載至荷載為6.1 kN時，方管開裂，槽口位移下滑嚴重，托臂支架無法繼續加載,如圖4b所示。

第③種不可調節托臂支架承載力試驗：當加載荷載為3.5 kN時，槽口下滑位移值為9.9 mm，整個托臂支架無明顯變化。當加載荷載為6.5 kN時，槽口位移值為18.6 mm，方管整體下滑，發生輕微變形。當加載荷載11.0 kN時，方管整體明顯下滑，底板變形。繼續加載至荷載為11.3 kN時，槽鋼傾斜嚴重，底板嚴重變形，托臂支架無法繼續加載,如圖4c所示。

第④種不可調節托臂支架承載力試驗：當加載荷載為3.5 kN時，槽口下滑位移值為9.1 mm，整個托臂支架無明顯變化。當加載荷載為6.5 kN時，方管受壓下滑，槽口下滑位移值為18.2 mm。繼續加載至荷載為9.0 kN時，底板出現彎曲。繼續加載至荷載為9.6 kN時，托臂支架因槽口位移過大，無法繼續加載,如圖4d所示。

第⑤種不可調節托臂支架承載力試驗：當加載荷載為3.5 kN時，槽口下滑位移值為7.8 mm，整個托臂支架無明顯變化。繼續加載至荷載為8.0 kN時，槽口下滑位移值為22.1 mm，底板上方與工裝間出現縫隙，底板無變形。當加載荷載為11.8 kN時，底板與工裝間縫隙進一步增大，底板變形，托臂無法繼續加載,如圖4e所示。

第⑥種不可調節托臂支架承載力試驗：當加載荷載為3.5 kN時，槽口下滑位移值為5.1 mm，整個托臂支架無明顯變化。繼續加載至荷載為7.0 kN時，槽口下滑位移值為12.7 mm，底板上方工裝間有縫隙，底板無變形。當加載荷載為11.0 kN時，槽口下滑位移值增大到34.1 mm，底板輕微變形。繼續加載到11.3 kN時，底板變形明顯，托臂支架無法繼續加載，如圖4f所示。

(a) 不可調節托臂支架① (b) 不可調節托臂支架② (c) 不可調節托臂支架③

(d) 不可調節托臂支架④ (e) 不可調節托臂支架⑤ (f) 不可調節托臂支架⑥

分析試驗過程可得：可調節托臂支架主要承受的是豎向壓力荷載。對于絲桿式可調節托臂支架，在受力過程中，絲桿和固定塊受到的分力較大，絲桿受彎發生變形，托臂支架底部受到的彎矩最大，使底板與工裝間產生縫隙，導致托臂支架失去承載力。鎖扣式可調節托臂支架在受力過程中，鎖扣受力較大，容易發生滑移甚至破壞，鎖扣破壞后，托臂支架失去承載力。兩種可調節托臂支架的破壞原因稍有不同，在支架承受上部荷載的過程中，槽鋼受到的上部荷載傳遞給絲桿或者鎖扣，絲桿或者鎖扣受力較大，兩種托臂支架發生破壞的主要形式都是受壓破壞。

相比而言，不可調節托臂支架受力路徑較為簡單，在進行試驗加載時，受力狀況和結構力學中的懸臂梁非常類似。在對托臂支架施加荷載時，彎矩和荷載施加的位移成線性關系，底部所受到的彎矩最大，也是最容易發生破壞的位置。對于帶方管的不可調節托臂支架，托臂支架受力會通過螺栓傳遞給方管一部分，方管受到支架傳遞的壓力發生變形，當繼續加載后方管出現開裂，托臂支架發生破壞，失去承載能力。對于附加支撐的不可調節托臂支架，破壞主要是因為上部荷載產生彎矩較大，造成底板開裂，槽口的下滑位移值過大，變形嚴重，托臂支架失去承載力。

3 試驗結果分析

3.1 托臂支架承載力比較

試驗采用的槽鋼支架長800 mm，槽鋼截面積為492.8 mm2，槽鋼壁厚2.75 mm。本試驗設計了8組試件，試件參數與承載力實測值見表1。

表1 試件參數與承載力實測值

由表1可知：鎖扣式可調節托臂支架在145°進行加載試驗，承載力只有7.5 kN，絲桿式可調節托臂支架的承載力更小，為7.0 kN。兩個中心孔螺栓、方管長100 mm的不可調節托臂支架承載力為6.1 kN，承載力最大的是附加梯形支撐的不可調節托臂支架，承載力可以達到11.8 kN，幾乎是前者承載力的2倍。

3.2 影響托臂支架承載力的關鍵因素

通過對比2組可調節托臂支架的試驗結果可知：鎖扣式可調節托臂支架的承載力與絲桿式可調節托臂支架的承載力相比，前者較大，但在相同加載荷載條件下前者槽口位移值偏大。鎖扣式可調節托臂支架底板采用厚8 mm的鋼板，絲桿式可調節托臂支架底板采用厚12 mm的鋼板。底板越厚的托臂支架下滑位移值越小，更能滿足工程的實際需要。

對比第②種和第④種不可調節托臂支架的試驗結果可知：方管長度增加50%，托臂支架的承載力可提升57.38%，而且在相同加載荷載條件下，后者的槽口下滑位移值更小。加載荷載為5.6 kN時，第②種和第④種托臂支架的槽口下滑位移分別為56.9 mm和15.3 mm。由此可知：方管長度是影響托臂支架承載力的重要因素，增加方管長度可以有效增大托臂支架的承載力，減小槽口下滑位移值。螺栓布置的位置對托臂支架的承載力也有很大影響，通過對比第③種和第④種不可調節托臂支架可知：同樣的螺栓個數和開孔數，采用對角螺栓方向布置的托臂支架比采用中心螺栓布置的托臂支架承載力更大，承載力高出了17.71%。對于附加梯形支撐不可調節托臂支架，梯形支撐在底板上縱向排列，與槽臂方向平行，相當于增大了槽臂有效高度，截面抵抗矩增大，托臂支架的抗彎能力明顯提高，承載力增大。板支撐在底板上橫向排列，與槽臂方向垂直，當托臂支架受到上部荷載時，槽鋼受壓，一部分力傳遞給上部橫板，橫板支撐分擔了一部分托臂支架所受到的壓力荷載，橫板對槽鋼有向下的力，使得托臂支架的承載力明顯提升。對比試驗結果可知：2組附加支撐的托臂支架承載力最大，相同荷載條件時槽口下滑位移值也最小，力學性能最好。

3.3 托臂支架承載力-位移曲線分析

由試驗測得各個托臂支架加載時的承載力-位移值，并繪制成曲線，如圖5所示。對圖5a進行分析可得：鎖扣式可調節托臂支架比絲桿式可調節托臂支架的承載力略大，但在相同加載荷載下，絲桿式可調節托臂支架相比鎖扣式可調節托臂支架槽口下滑位移值偏小。試驗加載初期，兩種可調節托臂支架的變形已經很明顯，在可調節托臂支架并未進入彈塑性階段，因槽口下滑位移值較大而停止加載。由圖5b可知：在帶方管的托臂支架中，第①種和第②種不可調節托臂支架的承載力-位移曲線斜率較大；與前兩種相比，第③種和第④種不可調節托臂支架承載力-位移曲線較平緩，在單位荷載作用下位移增量較小，托臂支架的承載力也就越大。與帶方管的托臂支架相比，附加支撐的托臂支架承載力-位移斜率最為平緩，承載力性能表現良好。在前期加載過程中，兩種附加支撐的托臂支架處于彈性階段，在相同加載荷載條件下，附加橫板支撐的槽口下滑位移值最小；但是，在加載荷載為10.0 kN時，其承載力-位移曲線的斜率突然增加，附加橫板支撐的托臂支架率先進入彈塑性階段。相比而言，附加梯形支撐的托臂支架的承載力更大，力學性能最好。

(a) 2組可調節托臂支架的承載力-位移曲線 (b) 6組不可調節托臂支架的承載力-位移曲線

4 結論

(1)在各托臂支架承載力試驗中，附加支撐的托臂支架相比其他托臂支架試驗承載力最大，在相同荷載條件時槽口下滑位移值也最小。

(2)底板厚度為8 mm的托臂支架，在施加荷載時更容易發生變形，無法滿足使用要求。在托臂支架的方管長度為100 mm和150 mm的試驗對比中，方管長度增加50%，承載力可以提高57.38%，在相同加載條件下，長度為100 mm的方管更容易發生變形。對角螺栓布置的托臂支架承載力比中心孔螺栓布置的托臂支架承載力更好。

(3)附加橫板支撐的托臂支架槽口位移控制最好，附加梯形支撐的托臂支架承載力最大。雖然增加底板厚度可以有效減小槽口下滑位移值，增加方管長度可以有效增加托臂支架的承載力，但相比附加支撐而言成本較高。所以通過改變附加支撐的形狀、大小和位置來改善托臂支架的整體剛度和強度，達到提升承載力、降低槽口下滑位移的效果最優。