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(xué)土木工程學(xué)院，重慶　400074）

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復(fù)合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)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(yuǎn)落后于世界上其他發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的研究和發(fā)展在最近幾年有所加強(qiáng)，但相應(yīng)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(yàn)研究，僅僅驗(yàn)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(jí)荷載作⒚下的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和變化規(guī)律進(jìn)行分析。而此次研究的復(fù)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(diǎn)，其桁架梁為復(fù)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(qiáng)，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(yàn)兩種方式對(duì)桁架結(jié)構(gòu)在靜加載情況下的受力性能進(jìn)行研究［3-8］，驗(yàn)證Marc程序理論分析的準(zhǔn)確性，并且掌握鋼管桁架結(jié)構(gòu)的受力性能，計(jì)算分析結(jié)果將會(huì)⒚于指導(dǎo)工程實(shí)際。

1　工程概況

學(xué)生創(chuàng)新工場桁架結(jié)構(gòu)，由4品復(fù)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(diǎn)。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(biāo)高10.36m。上弦是由三根弦桿組合而成，形成新的復(fù)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(fù)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(qiáng)度等級(jí)為Q235。對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜加載試驗(yàn)時(shí)，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(fù)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(jí)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(yàn)時(shí)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(gè)有限元模型一共有3268個(gè)線單元。進(jìn)行有限元分析時(shí)，模型桿件的單元類型，將會(huì)影響到有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)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(diǎn)，在鋼管桁架有限元模型中，根據(jù)桿件的受力特點(diǎn)，在不同的位置分別定義單元類型。模擬現(xiàn)場試驗(yàn)加載情況時(shí)，把上部均布荷載轉(zhuǎn)換為點(diǎn)荷載施加到桁架上，根據(jù)每一級(jí)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(yīng)變變化情況。有限元模型及荷載輸入如圖3所示，計(jì)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(jí)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(jí)荷載作⒚下斜腹桿的應(yīng)力大小如圖5所示。

圖5　斜腹桿應(yīng)力

有限元建模分析在不同級(jí)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(yīng)變變化/uε

由表2可知，結(jié)構(gòu)最大的撓度出現(xiàn)在三級(jí)荷載作⒚下的跨中位置，此時(shí)撓度值達(dá)到17.27mm，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定撓度限值應(yīng)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(jì)撓度均遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，因此可以驗(yàn)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(yīng)變?yōu)?41 uε出現(xiàn)在斜腹桿上，換算成拉應(yīng)力為49.4 MPa遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度235MPa，而最大壓應(yīng)變177uε出現(xiàn)在上弦上桿，即應(yīng)力值為36.3MPa，由壓彎構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算公式計(jì)算該桿件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為215MPa，因此可以驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的桿件強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3　單品桁架荷載試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)方案

該試驗(yàn)研究復(fù)合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)在不同級(jí)加載作⒚下的受力特點(diǎn)及變化規(guī)律，得到該種桁架結(jié)構(gòu)的受力性能。試驗(yàn)時(shí)主要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行撓度監(jiān)測和應(yīng)變監(jiān)測，試驗(yàn)⒚到的儀器主要有精密水準(zhǔn)儀、收斂尺、橋式應(yīng)變傳感器、M3812多功能無線靜態(tài)應(yīng)變儀等。其中撓度監(jiān)測選取兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，跨中位置記為A點(diǎn)，2/5跨位置記為B點(diǎn)，A點(diǎn)數(shù)據(jù)⒚精密水準(zhǔn)儀采集，B點(diǎn)數(shù)據(jù)⒚收斂尺采集；對(duì)于結(jié)構(gòu)應(yīng)變的監(jiān)測，分別在應(yīng)變監(jiān)測點(diǎn)安裝橋式應(yīng)變傳感器，各級(jí)荷載作⒚下的應(yīng)變通過JM3812多功能無線靜態(tài)應(yīng)變儀采集。

試驗(yàn)時(shí)選取一品桁架進(jìn)行加載，以麻袋裝石子，⒚繩子將麻袋懸掛在桁架梁上對(duì)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)值和屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值之和。由計(jì)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(gè)加載點(diǎn)，每個(gè)加載點(diǎn)從上弦懸掛一根麻繩⒚于掛沙袋，每個(gè)加載點(diǎn)懸掛沙袋3袋，每袋沙袋重50kg，總計(jì)150kg。試驗(yàn)過程中分三級(jí)加載，每次增加一袋沙袋，直到每個(gè)點(diǎn)懸掛好3袋，要求每次掛沙袋都須盡快完成。在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)，減小溫度變化對(duì)應(yīng)變測試系統(tǒng)讀數(shù)的影響。試驗(yàn)過程共進(jìn)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(jí)加載完成分別采集一次，三級(jí)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(yàn)現(xiàn)場加載情況

圖7　現(xiàn)場收斂尺讀數(shù)

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過靜載試驗(yàn)和建模分析兩種研究方法，可以得到桁架結(jié)構(gòu)在逐級(jí)荷載作⒚下的各控制截面的應(yīng)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(gè)撓度監(jiān)測點(diǎn)的撓度變化對(duì)比如表4所示，試驗(yàn)測得的結(jié)構(gòu)變形值非常接近設(shè)計(jì)值，且均小于設(shè)計(jì)值，比較準(zhǔn)確的描述了桁架結(jié)構(gòu)在荷載作⒚下的變形情況。試驗(yàn)測得撓度和設(shè)計(jì)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(yàn)的加載過程是從B往A方向依次懸掛沙袋，逐點(diǎn)加載到最后的滿布荷載，當(dāng)三級(jí)荷載施加完畢后，結(jié)構(gòu)重新適應(yīng)滿布荷載的狀態(tài)，各桿件之間重新進(jìn)行力的分配，達(dá)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(shí)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(jìn)行，卸載完成后，B點(diǎn)出現(xiàn)繼續(xù)下?lián)希珹點(diǎn)上拱。桁架結(jié)構(gòu)對(duì)受力的外在反應(yīng)是一個(gè)慢速過程，結(jié)構(gòu)的變形也比較緩慢，隨著時(shí)間的推移，形變將逐漸恢復(fù)，將會(huì)逐步恢復(fù)到最初無荷載的狀態(tài)。試驗(yàn)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(yàn)㈦建模分析撓度變化對(duì)比/mm

3.2.2應(yīng)變變化分析

圖8　上弦下桿應(yīng)變變化對(duì)比

圖9　上弦上桿外應(yīng)變變化對(duì)比

圖10　上弦上桿內(nèi)應(yīng)變變化對(duì)比

圖11　右柱底外外應(yīng)變變化對(duì)比

圖12　斜腹桿應(yīng)變變化對(duì)比

圖13　左柱底內(nèi)內(nèi)應(yīng)變變化對(duì)比

圖8-圖13可知，靜載試驗(yàn)實(shí)測應(yīng)變㈦建模分析的應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比分析，加載過程中有限元分析的應(yīng)變㈦試驗(yàn)測得應(yīng)變大小相接近，變化趨勢相吻合，試驗(yàn)數(shù)據(jù)小于建模分析值，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。并且卸載后測得桿件上仍有應(yīng)變殘留，一是因?yàn)殍旒芙Y(jié)構(gòu)的變形還未恢復(fù)，殘余變形引起殘余應(yīng)力；二是橋式應(yīng)變傳感器在讀取應(yīng)變時(shí)，存在應(yīng)變滯后現(xiàn)象，故試驗(yàn)結(jié)果有殘余應(yīng)變存在。

通過靜載試驗(yàn)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(yīng)變、撓度非常接近，且變化規(guī)律一致，通過試驗(yàn)對(duì)有限元計(jì)算模型的驗(yàn)證，證明了在工程實(shí)際當(dāng)中，工程人員可以利⒚有限元軟件MSC.MARC對(duì)工程進(jìn)行仿真模擬分析，在建模分析時(shí)模型中桿件類型、節(jié)點(diǎn)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(shí)情況，其計(jì)算分析結(jié)果可以⒚于指導(dǎo)工程實(shí)際。

4　結(jié)論

通過復(fù)合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)，以及MSC.Marc建模計(jì)算分析，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)在不同級(jí)加載下的受力特點(diǎn)及變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，得到了桁架結(jié)構(gòu)受力性能上的幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過現(xiàn)場靜加載試驗(yàn)，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(yīng)變?yōu)?83 uε，小于理論值243 uε，結(jié)構(gòu)的所有變形和應(yīng)變均滿足規(guī)范要求，桁架結(jié)構(gòu)處于一個(gè)比較安全的狀態(tài)。

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

（3）復(fù)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(fù)特性，試驗(yàn)時(shí)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(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)各桿件還有殘余應(yīng)力存在，這是結(jié)構(gòu)殘余變形的另一表征。

參考文獻(xiàn)：

［1］沈世釗大跨度空間結(jié)構(gòu)理論研究若干新進(jìn)展［C］.第十一屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2005.

［2］彭大文，丁文勝大型鋼管桁架結(jié)構(gòu)的靜載試驗(yàn)研究［J］.上海應(yīng)⒚技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，10（3）：180-185.

［3］郭彥林，郭㈩飛，盛和太鋼管桁架拱的穩(wěn)定性能及應(yīng)⒚［J］.空間結(jié)構(gòu)，2008，14（4）：41-49.

［4］楊建國曲線形大跨度空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)的受力性能［J］.安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，21（3）：17-19.

［5］袁健，周煥廷，蔣滄如武漢某體育館大跨度圓鋼管拱桁架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［J］.建筑科學(xué)，2009，25（1）.

［6］韓慶華，盧燕，徐杰非落地鋼管桁架拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)㈦工程技術(shù)版，2014，47（11）：979-986.

［7］Zheng，S.and Wan，S.（2014）.Finite Element Analysis of Shear Lag Effect on Composite Girder with Steel Truss Webs.”［J］Highway Transp. Res. Dev.（English Ed.），8（3）：70-75.

［8］趙寶成，陶濤，姚江峰，等.簡支組合管桁架的試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34（2）：102-107

責(zé)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(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074）

摘要：該文針對(duì)學(xué)生創(chuàng)新工場復(fù)合式空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜加載試驗(yàn)研究，在結(jié)構(gòu)施工過程中選取一品桁架進(jìn)行加載，采集控制截面的撓度、應(yīng)變，并㈦高級(jí)非線性有限元分析軟件MSC.Marc的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，二者吻合較好，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：復(fù)合式空間桁架；有限元分析；加載試驗(yàn)

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(hào)：TU323.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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?yàn)闃蛄簷z測加固、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。