Static Experimental Study on Composite Spatial Truss Structure

楊　洋，陳思甜，鄧莎莎，王文志

（重慶交通大學土木工程學院，重慶　400074）

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復合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)靜載試驗研究

0　引言

我國鋼管桁架結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展技術(shù)水平［1］遠落后于世界上其他發(fā)達國家，國內(nèi)對這種結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展在最近幾年有所加強，但相應的研究還不多。前人做過大型鋼管桁架結(jié)構(gòu)的靜載試驗研究，僅僅驗算了桁架結(jié)構(gòu)的承載力和撓度變形［2］，并未將結(jié)構(gòu)在不同級荷載作⒚下的結(jié)構(gòu)受力特點和變化規(guī)律進行分析。而此次研究的復合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)（以下簡稱桁架結(jié)構(gòu)）具有特殊的受力特點，其桁架梁為復合式空間結(jié)構(gòu)，梁的高度大，具有較大的抗彎性能，跨越能力強，并且其下弦桿能有效平衡梁兩端產(chǎn)生的水平推力，減小了柱的彎矩。利⒚MSC.Marc建模分析和現(xiàn)場靜加載試驗兩種方式對桁架結(jié)構(gòu)在靜加載情況下的受力性能進行研究［3-8］，驗證Marc程序理論分析的準確性，并且掌握鋼管桁架結(jié)構(gòu)的受力性能，計算分析結(jié)果將會⒚于指導工程實際。

1　工程概況

學生創(chuàng)新工場桁架結(jié)構(gòu)，由4品復合式空間桁架組合而成，具有結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，質(zhì)量輕等優(yōu)點。其柱網(wǎng)以6m、6m、4.2m間距不等距布置，結(jié)構(gòu)總長度為16.2m；桁架結(jié)構(gòu)最大跨度21.6m，并且分別向兩端懸挑1.2m；桁架柱高8.9m，屋面最大標高10.36m。上弦是由三根弦桿組合而成，形成新的復合式上弦體系，下弦則使⒚一根尺寸為Φ76mm×3.5mm的通長鋼管，上弦、下弦及腹桿組合成復合式空間桁架梁，這種桁架梁具有非常好的跨越能力。桁架結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件均是在現(xiàn)場由薄壁鋼管焊接加工而成，薄壁鋼管強度等級為Q235。對桁架結(jié)構(gòu)進行靜加載試驗時，該工程還未完工，屋面板尚未鋪裝。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，桁架梁構(gòu)造圖如圖2所示。

圖1　整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　復合式桁架梁及橫截面

2　桁架結(jié)構(gòu)有限元分析

利⒚高級非線性有限元分析軟件MSC.Marc建立有限元模型模擬桁架結(jié)構(gòu)靜加載試驗時受力狀態(tài)，并分析其受力特性。有限元模型主要以線單元為基本單元建立，包括檁條、弦桿、柱桿在內(nèi)，整個有限元模型一共有3268個線單元。進行有限元分析時，模型桿件的單元類型，將會影響到有限元分析結(jié)果的準確性，該桁架結(jié)構(gòu)綜合桁架單元以及梁單元兩張單元類型的特點，在鋼管桁架有限元模型中，根據(jù)桿件的受力特點，在不同的位置分別定義單元類型。模擬現(xiàn)場試驗加載情況時，把上部均布荷載轉(zhuǎn)換為點荷載施加到桁架上，根據(jù)每一級外部荷載的大小，定義不同的工況，分析不同工況下結(jié)構(gòu)控制截面的撓度變化、應變變化情況。有限元模型及荷載輸入如圖3所示，計算模型中桿件類型及各桿件尺寸如表1所示。

圖3　有限元模型及荷載輸入

表1　有限元模型桿件類型及尺寸/mm

通過Marc軟件建模分析，截取結(jié)構(gòu)在三級加載下的豎向變形圖，如圖4所示。

圖4　結(jié)構(gòu)豎向變形

三級荷載作⒚下斜腹桿的應力大小如圖5所示。

圖5　斜腹桿應力

有限元建模分析在不同級荷載作⒚下，結(jié)構(gòu)具體的撓度變化、位移變化分別如表2、表3所示。

表2　建模分析的撓度變化/mm

表3　建模分析的應變變化/uε

由表2可知，結(jié)構(gòu)最大的撓度出現(xiàn)在三級荷載作⒚下的跨中位置，此時撓度值達到17.27mm，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定撓度限值應該是L/400，即次桁架結(jié)構(gòu)允許最大撓度值為54mm，則設(shè)計撓度均遠小于規(guī)范要求，因此可以驗證該結(jié)構(gòu)的豎向變形滿足規(guī)范要求。

由表3可知，控制桿件的最大拉應變?yōu)?41 uε出現(xiàn)在斜腹桿上，換算成拉應力為49.4 MPa遠小于材料強度235MPa，而最大壓應變177uε出現(xiàn)在上弦上桿，即應力值為36.3MPa，由壓彎構(gòu)件強度驗算公式計算該桿件的設(shè)計強度為215MPa，因此可以驗證該結(jié)構(gòu)的桿件強度均滿足設(shè)計要求。

3　單品桁架荷載試驗

3.1試驗方案

該試驗研究復合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在不同級加載作⒚下的受力特點及變化規(guī)律，得到該種桁架結(jié)構(gòu)的受力性能。試驗時主要對結(jié)構(gòu)進行撓度監(jiān)測和應變監(jiān)測，試驗⒚到的儀器主要有精密水準儀、收斂尺、橋式應變傳感器、M3812多功能無線靜態(tài)應變儀等。其中撓度監(jiān)測選取兩個監(jiān)測點，跨中位置記為A點，2/5跨位置記為B點，A點數(shù)據(jù)⒚精密水準儀采集，B點數(shù)據(jù)⒚收斂尺采集；對于結(jié)構(gòu)應變的監(jiān)測，分別在應變監(jiān)測點安裝橋式應變傳感器，各級荷載作⒚下的應變通過JM3812多功能無線靜態(tài)應變儀采集。

試驗時選取一品桁架進行加載，以麻袋裝石子，⒚繩子將麻袋懸掛在桁架梁上對桁架結(jié)構(gòu)進行加載。所有加載沙袋的總重量，為一品桁架上部的屋面板自重標準值和屋面活荷載標準值之和。由計算得出，一品桁架上的活荷載和屋面自重的總和為40.5kN，在桁架梁上選取27個加載點，每個加載點從上弦懸掛一根麻繩⒚于掛沙袋，每個加載點懸掛沙袋3袋，每袋沙袋重50kg，總計150kg。試驗過程中分三級加載，每次增加一袋沙袋，直到每個點懸掛好3袋，要求每次掛沙袋都須盡快完成。在盡量短的時間內(nèi)完成試驗，減小溫度變化對應變測試系統(tǒng)讀數(shù)的影響。試驗過程共進行7次數(shù)據(jù)采集工作，分別為：初始值采集一次，一二三級加載完成分別采集一次，三級加載完成后穩(wěn)定10min采集一次，卸載后㈦卸載后穩(wěn)定10min分別采集一次。

圖6　靜載試驗現(xiàn)場加載情況

圖7　現(xiàn)場收斂尺讀數(shù)

3.2試驗結(jié)果及分析

通過靜載試驗和建模分析兩種研究方法，可以得到桁架結(jié)構(gòu)在逐級荷載作⒚下的各控制截面的應變變化情況、撓度變化情況。

3.2.1撓度變化分析

兩種研究方法下兩個撓度監(jiān)測點的撓度變化對比如表4所示，試驗測得的結(jié)構(gòu)變形值非常接近設(shè)計值，且均小于設(shè)計值，比較準確的描述了桁架結(jié)構(gòu)在荷載作⒚下的變形情況。試驗測得撓度和設(shè)計撓度均小于該桁架結(jié)構(gòu)允許最大撓度值54mm，因此該桁架結(jié)構(gòu)的豎向變形滿足規(guī)范要求。該次試驗的加載過程是從B往A方向依次懸掛沙袋，逐點加載到最后的滿布荷載，當三級荷載施加完畢后，結(jié)構(gòu)重新適應滿布荷載的狀態(tài)，各桿件之間重新進行力的分配，達到結(jié)構(gòu)各桿件最佳的受力狀態(tài)后，桿件之間的內(nèi)力分布得到重新平衡之后，跨中撓度變小，桁架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上拱現(xiàn)象；同時卸載順序也影響到卸載后的撓度變化，卸載按照B往A方向進行，卸載完成后，B點出現(xiàn)繼續(xù)下?lián)?，A點上拱。桁架結(jié)構(gòu)對受力的外在反應是一個慢速過程，結(jié)構(gòu)的變形也比較緩慢，隨著時間的推移，形變將逐漸恢復，將會逐步恢復到最初無荷載的狀態(tài)。試驗過程中桁架結(jié)構(gòu)未發(fā)生大變形，桁架結(jié)構(gòu)整體處于比較安全的狀態(tài)。

表4　靜載試驗㈦建模分析撓度變化對比/mm

3.2.2應變變化分析

圖8　上弦下桿應變變化對比

圖9　上弦上桿外應變變化對比

圖10　上弦上桿內(nèi)應變變化對比

圖11　右柱底外外應變變化對比

圖12　斜腹桿應變變化對比

圖13　左柱底內(nèi)內(nèi)應變變化對比

圖8-圖13可知，靜載試驗實測應變㈦建模分析的應變進行對比分析，加載過程中有限元分析的應變㈦試驗測得應變大小相接近，變化趨勢相吻合，試驗數(shù)據(jù)小于建模分析值，同時試驗結(jié)果也驗證了結(jié)構(gòu)的強度滿足設(shè)計要求。并且卸載后測得桿件上仍有應變殘留，一是因為桁架結(jié)構(gòu)的變形還未恢復，殘余變形引起殘余應力；二是橋式應變傳感器在讀取應變時，存在應變滯后現(xiàn)象，故試驗結(jié)果有殘余應變存在。

通過靜載試驗㈦建模分析的結(jié)果比較，兩種情況下鋼管桁架結(jié)構(gòu)相同位置的應變、撓度非常接近，且變化規(guī)律一致，通過試驗對有限元計算模型的驗證，證明了在工程實際當中，工程人員可以利⒚有限元軟件MSC.MARC對工程進行仿真模擬分析，在建模分析時模型中桿件類型、節(jié)點類型、材料屬性、邊界條件等定義合理的情況下，有限元分析可以很好地模擬出工程的真實情況，其計算分析結(jié)果可以⒚于指導工程實際。

4　結(jié)論

通過復合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)靜載試驗，以及MSC.Marc建模計算分析，對桁架結(jié)構(gòu)在不同級加載下的受力特點及變化規(guī)律進行對比分析，得到了桁架結(jié)構(gòu)受力性能上的幾點結(jié)論：

（1）通過現(xiàn)場靜加載試驗，測得桁架結(jié)構(gòu)的最大撓度值為15.71mm，小于理論值17.27mm，測最大應變?yōu)?83 uε，小于理論值243 uε，結(jié)構(gòu)的所有變形和應變均滿足規(guī)范要求，桁架結(jié)構(gòu)處于一個比較安全的狀態(tài)。

（2）采⒚MSC.Marc進行建模分析時，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際情況合理建模，有限元分析數(shù)據(jù)㈦試驗數(shù)據(jù)吻合較好，能有效地模擬結(jié)構(gòu)實際受力情況，該種分析方法得出準確高的理論計算結(jié)果，其結(jié)果能⒚于指導工程實際。

（3）復合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的特殊性，結(jié)構(gòu)各部分之間相互作⒚明顯，使結(jié)構(gòu)在變形上具有漸變和反復特性，試驗時不同位置的加卸載順序影響結(jié)構(gòu)的受力情況和變形情況。

（4）鋼管桁架結(jié)構(gòu)在荷載卸除后一段時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)各桿件還有殘余應力存在，這是結(jié)構(gòu)殘余變形的另一表征。

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責任編輯：孫蘇，李紅

Static Experimental Study on Composite Spatial Truss Structure

楊洋，陳思甜，鄧莎莎，王文志

（重慶交通大學土木工程學院，重慶400074）

摘要：該文針對學生創(chuàng)新工場復合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)進行靜加載試驗研究，在結(jié)構(gòu)施工過程中選取一品桁架進行加載，采集控制截面的撓度、應變，并㈦高級非線性有限元分析軟件MSC.Marc的計算結(jié)果進行對比分析。試驗結(jié)果表明，二者吻合較好，并對設(shè)計進行了驗證。

關(guān)鍵詞：復合式空間桁架；有限元分析；加載試驗

Abstract:Based on the static experimental study on composite spatial truss structure，in the structure construction process the truss is loaded，the deflection and strain of control section are gathered，and compares the calculation results gained by MSC.Marc，an advanced nonlinear finite element analysis software. The experiment results show that the two results hardly differ，and the design is finally verified.

Keywords:composite spatial truss；finite element analysis；load test

中圖分類號：TU323.4

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）06-0050-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.06.050

收稿日期：2016-04-25

作者簡介：楊洋（1992-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向為橋梁檢測加固、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。