輕型三角形可折疊式鋼撐軸心受壓試驗研究

張月樓 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

鋼結構安裝過程中，為了給上部分片或分塊鋼結構臨時支撐，常常用到臨時支撐[1]。現階段，最廣泛使用的是重型格構式、實腹或組合鋼結構臨時支撐[2]。

傳統鋼結構臨時支撐，其結構構件通常很重，在安裝施工過程中，重型支撐將表現出優越的性能。但對于空間網殼等輕質結構，其構件輕，重型支撐就有些大材小用。為此，我們開發了可折疊式輕型鋼結構臨時支撐，傳統臨時支撐多為現場焊接或螺栓安裝，該新型支撐可以實現折疊安裝，更加集成高效；傳統鋼結構支撐平面形狀多為四邊形，該輕型支撐為三角形，更便于運輸和存放；單節重量輕，可避免機械吊裝。兩個人即可完成拆裝，有效提高施工效率，節省成本和工期。

1 試驗概況[3]

折疊式輕型支撐主體結構平面形狀為三角形，腹桿和主桿通過中間的旋轉節點連接在一起，上下結構單元段通過公母接頭和三角形平面抱箍連接在一起。

2 試驗總體方案

試驗總體布置如圖1 所示。對于預先設計的試件進行軸向加載[4]。

圖1 試驗現場實景圖

2.1 應變監測方案

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

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

測試組件有15 個應變片。所有應變方向與粘貼構件的軸方向一致。

2.2 位移測試方案

為了監測三角形支撐結構在試驗加載過程中各個部位豎向位移的實時變化，在三根立柱處設置了豎向位移計。在頂部三角形的重心處同樣放置了一個豎向位移計，來實時監測在試驗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置兩個水平位移計，分別監測兩個水平方向上在試驗過程中的水平位移變化。

2.3 試驗荷載施加方案

荷載施加過程分為預加載和正式加載。

預加載由力控制。根據試驗前用ABAQUS 進行了結構有限元分析，結果顯示本次試驗的三角形輕型支撐的屈服載荷為500 噸，故正式試驗考慮采用100kN 的預加載值。

本試驗的正式加載過程采用位移控制法。數字作動器的豎向位移以0.3mm/min 控制的原則向下施加荷載，加載至結構屈服，從最大承載力下降到最大承載力80%時停止試驗，試驗加載標準見表1。

表1 軸心受壓構件加載準則

3 軸心受壓構件試驗結果

3.1 試驗現象

彈性加載階段過程中，各構件受力逐漸增加，各節點連接正常。到達極限荷載后，進一步加載，三根鋼管柱逐漸屈曲，但南側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。南側鋼管的主要變形發生在上段，說明底座對于臨時支撐下段可以進行有效固定，結構的主要屈服變形發生在支撐上段。

圖2 試驗件變形圖

3.2 支撐的位移結果

畫出輕型支撐的力與位移關系曲線，如圖3 所示，根據力與位移關系曲線試驗結果可以看出，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值相近。隨著施加荷載逐步增大，三角形輕型支撐南側立柱最先發生失穩，豎向位移快速增大，南側立柱相對于北側兩根立柱受力狀態更為不利，另外兩根鋼管柱的豎向位移增加幅度明顯低于發生了失穩的南側鋼管。

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 支撐的應變結果

3.3.1 角部三根立柱應變

畫出輕型支撐的應變-豎向荷載關系曲線如圖5 所示，可以看出，支撐在施加荷載為600kN 以內階段，三根立柱的應變數值與豎向荷載基本呈現線性關系，構件各處截面應變分布均勻，各鋼管柱處于軸壓狀態。

圖5 鋼管應變-豎向荷載曲線

荷載超過極限荷載后，南側鋼管柱應變開始減小，西北角和東北角鋼管應變增大，說明南側鋼管失穩破壞后，三根鋼管的內力重新分配，南側鋼管的內力傳遞給北側兩個鋼管。同時，從三根鋼管柱的應變值可以看出，三根鋼管的應變還未達到屈服應變，說明在外荷載作用下，由于幾何非線性影響，輕型支撐構件發生了彈性失穩。

3.3.2 斜桿與橫桿應變

在試驗中，對下部三根斜桿的應變進行了測試，應變-荷載曲線如圖6 所示。從圖中可看出，斜桿在輕型支撐系統試驗全過程中應變值均較小。當豎向荷載加載值低于600kN 時，斜桿在東斜面（S13）上的應變為拉應變，其他兩根斜桿受壓，此時測得斜桿應變數值較小，應變最大值為50με。隨著立柱度過彈性階段，達到極限承載力后，開始發生立柱屈曲失穩，由于立柱變形，受壓斜桿逐步變為受拉斜桿，但桿應變數值依舊較小，應變最大值為430με，斜桿依然為彈性受力狀態。

圖6 斜桿應變-豎向荷載曲線

輕型支撐橫桿隨著立柱度過彈性階段，達到極限承載力后，開始發生立柱屈曲失穩，由于立柱變形，受壓橫桿逐步變為受拉斜桿，應變最大值為720με，橫桿依然為彈性受力狀態。

在本輕型支撐結構中，斜桿與橫桿主要用于增強立柱平面內剛度，減少立柱計算長度系數，提高受壓構件穩定性承載力[5]。從試驗結果也可以看出，同一節段內，豎向鋼管在斜桿組成的平面內穩定性較好，而在斜桿平面外，豎向鋼管由于沒有支承點，使得豎向鋼管在斜桿平面外發生了失穩。

4 結論[6]

①通過本次輕型支撐系統的軸心受壓承載性能試驗，可發現本次試驗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在本次試驗布置的條件下，由于桿件比較細長，構件均為彈性失穩破壞。③輕型支撐系統的構件破壞發生于設置有可打開活節的鋼管柱上，對該位置在后續設計中，應進一步提高制作精度，并進行系統分析該連接對承載力的影響。