模板支撑桁架受力性能的分析

赵滇生，庞璐思

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310014)



模板支撑桁架受力性能的分析

赵滇生，庞璐思

(浙江工业大学建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

对一种新型模板支撑桁架进行设计及加载试验和有限元软件模拟分析，研究其受力性能，并分析试验和理论差异的原因，进而为该种支撑桁架的设计及研发提供参考。

支撑桁架；混凝土楼板；加载试验；有限元分析

随着早拆模体系的应用及新型模板体系的研发及推广，与之配套的新型模板支撑体系也更加多样化。本文设计了一种适用于钢框架中浇筑混凝土楼板的支撑桁架，并对其受力性能进行试验研究和有限元分析，以确定其可靠性，最后对此类桁架的设计应用提出建议。

1　支撑桁架设计及加载试验

1.1支撑桁架设计

支撑桁架跨度设计为4.1 m，其中两端节长均为1.5 m，中间节长1.1 m。根据施工中浇筑混凝土楼板的一般情况，取定荷载设计值为8 kN/m2，支撑分布间距取1.3 m(实际应用中可根据楼板厚度进行调整)。桁架杆件均采用Q235焊接钢管，其中上弦杆为φ76×3，下弦杆为φ48×3，腹杆为φ32×2.5；端部连接杆采用Q235无缝钢管，规格为φ63×4；两端拉杆采用M22标准花篮螺栓，桁架布置见图1，此支撑桁架经PKPM软件验算安全。

1.2支撑桁架加载试验

试验目的：通过加载试验得到支撑桁架弦杆、腹杆、拉杆的内力值及跨中挠度值，分析支撑桁架实际受力性能，并与理论分析值进行对比。

试验加载方案：试验在图1所示位置进行两点对称加载，加载方式为油压千斤顶通过分配梁分级加载，加载前在杆件相应位置布置应变片、位移计测量杆件应变及节点位移，测点位置见图1。

1.3试验数据分析

由于支撑桁架需重复使用，即受荷作用下应将其变形控制在弹性范围内。本试验主要研究分析桁架试件中各杆件在弹性状态下的受力情况。

1.3.1挠度及应力分析

考虑到支撑桁架在实际应用中上方需搁置模板浇筑混凝土模板，除必须要有足够承载力外，还需要控制其变形在合理挠度范围内，以保证混凝土楼板在成型过程中具有足够的平整度。根据文献[1]，桁架结构容许变形不超过计算跨度的1/1 000。由于桁架制作时起拱为10mm，可得试验中允许挠度值为[ν]=13.98mm。试验中荷载逐级增加，加至70kN时花篮螺栓因制作缺陷断裂，加载停止。加载过程中3个位移测点的P-υ曲线见图2，挠度随荷载近似线性变化，最大为9.84mm，在允许挠度内。桁架腹杆中拉杆和压杆分别取3、4两点分析，上下弦杆应力最大均在跨中，分别取应变测点8和10分析试验数据得测点的P-σ曲线，见图3。

注：图中表示应变片位置，φ表示位移计(百分表)图1　桁架尺寸及试验测点布置图

图2　桁架位移测点P-υ曲线

图3　桁架杆件P-σ曲线

图3表明试验中杆件应力随荷载的变化呈线性，即桁架在试验加载过程中处于弹性工作状态，由力学计算得各杆件应力计算结果(表1)，也表明各杆件均未达到屈服点，强度具有不同程度的富余量。

表1　杆件截面计算

1.3.2轴力及弯矩分析

由于腹杆与弦杆直接焊接，杆件中同时存在轴力和弯矩，应力应为轴力产生的应力σN和弯矩产生的应力σM之和，试验中得到杆件同截面对称位置的应力为σ1和σ2，通过材料力学知识分析可知

(1)

解得

(2)

(3)

弯矩公式为

(4)

试验得到杆件轴力N及弯矩M随荷载P变化曲线分别见图4、图5。

图4　桁架杆件P-N曲线

图5　桁架杆件P-M曲线

各杆件轴力变化呈线性，弯矩亦近似直线变化，且跨中上下弦杆弯矩值较大，表明桁架在试验加载中基本处于弹性工作状态。试验桁架焊接节点的刚性使其可传递一定弯矩，桁架跨中为纯弯段，弯矩值较大，且桁架中间节与两端节采用钢板焊接及高强度螺栓组合节点连接，两侧腹杆并未交于一点，从而引起两侧弦杆有较大弯矩。为分析弯矩次应力，将桁架杆件的弯矩应力与总应力的比值列于表2，其中花篮螺栓因测点截面难以确定而未列入。

表2　桁架杆件弯矩次应力影响　%

由表2表明，模板支撑桁架结构中，弯矩次应力影响均未超过17%，杆件主要为轴力作用。

2　理论对比分析

为分析杆件之间节点焊接的刚性，取桁架及刚架两种模型利用ANSYS软件进行建模分析。从杆件应力、跨中挠度值及弯矩次应力三方面与试验值进行对比分析，杆件应力及弯矩分析分别见表3、表4，表中对比值均以杆件类型不利分析。跨中挠度值对比见图6。

表3　桁架杆件应力值对比

注：σt为试验值；σe1为桁架理论值；σe2为刚架理论值；e1为桁架误差；e2为刚架误差；ee为理论值误差。

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

表4　桁架杆件弯矩次应力影响对比

图6　支撑桁架试验及理论跨中挠度值曲线

分析表3、表4和图6可知：

1)桁架杆件应力试验值与有限元刚架模型理论值更为接近，而有限元桁架模型理论值均大于试验值，即杆件应力分析中，以节点铰接简化计算桁架承载力偏保守；

2)杆件弯矩次应力的试验值及理论值均较小，表明在支撑桁架中，杆件主要承受轴力作用，理论分析中未考虑中间节与两端节连接节点两侧腹杆未交于一点，可能是引起弯矩误差的主要原因；

3)据P-υ对比曲线分析，试验桁架的跨中挠度值最大超过桁架跨中挠度理论值42%，超过刚架跨中挠度理论值35%，差异较大。这与试验桁架支座安装的紧密程度、试件的制作精度、焊接残余应力及应力集中等因素有关。实际桁架制作时宜起拱10 mm，以确保桁架挠度不会超过跨度的1/1 000。

3　结　语

根据试验研究和有限元分析，可得以下结论：

1)本文所设计模板支撑桁架承载力满足施工荷载的要求，可用于钢框架结构浇筑混凝土楼板。

2)理论分析中未考虑钢材的初始力学和几何缺陷等因素，且简化节点计算，从而导致理论值与试验值存在一定差异。两者对比分析表明，支撑桁架计算按节点铰接是可行的。

3)支撑桁架可通过制作起拱将最大挠度控制在跨度的1/1 000以内。

4)由于节点焊接的刚性及桁架中间节与两端节连接节点两侧腹杆未交于一点，支撑桁架杆件中存在弯矩次应力，但数值不大。

[1]沈阳建筑大学.JGJ 162—2008建筑施工模板安全技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

Analysis on the Force Performance of the Forwork Support Truss

ZHAO Diansheng, PANG Lusi

1008-3707(2016)01-0015-03

2015-04-23

赵滇生(1957—)，男，浙江义乌人，副教授，研究方向为钢结构、空间结构。

TU323.4

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