第11卷第3期2005年9月
空 间 结 构
SPA T IA L ST R U CT U R ES
Vo l.11N o.3Sep.2005
收稿日期:2004-12-14.
作者简介:李秀敏(1977—),女,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事结构工程研究.
索支承实腹式钢拱结构承载性能的试验研究
李秀敏,石永久,王元清
(清华大学土木工程系,北京100084)
摘 要:本文设计并完成了一榀10m 跨索支承实腹式预应力钢拱模型试验.通过对不加预应力的普通拱以及两种不同索支承钢拱的静力试验,不仅验证了索支承钢拱结构在承载性能上的优越性,而且得到了在预应力施加过程中以及在荷载作用下索支承钢拱结构内力和变形的变化规律.试验还就索支承钢拱的节点构造形式进行了探讨.本文还采用混合有限元法分析试验模型,并与试验结果进行了对比分析.关键词:索支承实腹式钢拱;预应力钢结构;刚度;静力试验
中图分类号:T U 394;T U 317 文献标识码:A 文章编号:1006-6578(2005)03-0027-06
Experimental investigation on cable -strut arch structures
LI Xiu-min,SHI Yong-jiu,WANG Yuan-qing
(D ep artment of Civil Eng ineer ing ,T sing hua U niv er sity ,Beij ing 100084,China )
Abstract :A model test on a 10m span cable-str ut ar ch frame w as designed and carried out in this paper.Thro ug h static load tests on str uctures w ithout prestress and structures w ith different supporting co ndition,no t only the superiority of cable-strut arch frame ov er comm on arch fr am e w as confir med,but also some m echanical characteristics o f cable-strut arch fr am e w ere found.During the experim ent,the
co nstr uctio n of joint detail w as also studied .T he model w as analy zed by the mix ed finite element metho d and comparison of the oretical and ex perimental results was also carried out .
Key words :cable-strut arch fr am e;pre-stressed steel str ucture;stiffness;static load ex perim ent
1 引 言
施加预应力是提高钢结构刚度、增强跨越能力并减少钢材用量的有效途径.索支承钢拱结构的预应力通过钢索和撑杆共同施加.拉索位于钢拱下面,在钢拱与拉索之间布置了一定数量的撑杆,这样预应力拉索不仅给钢梁施加预应力,使钢梁产生反拱,而且通过撑杆还可以为钢拱提供若干平面内弹性支承点,从而增强钢梁在平面内的稳定性.另外在结构受力阶段,拉索作为刚架的下弦杆件参与工作,更使结构刚度大大提高,因此索支承钢拱是一种适用于大跨度建筑的高效预应力钢结构.
本文根据这种结构形式完成了一榀10m 跨模
型试验,试验模型为索支撑实腹式钢拱.通过试验对
普通钢拱和索支承钢拱的承载力性能进行比较,验证了索支承实腹式钢拱承载性能上的优越性,得到了在荷载作用下索支承钢拱结构内力和变形的变化规律,同时还就索支承钢拱的节点构造形式进行了探讨.
2 试验模型设计
试验中实腹式钢拱采用Q235-BF 的钢材,材性试验所用材料与模型所用材料属同一批钢材.图1所示为材料的应力-应变关系曲线,从中可以看出材料表现为理想弹塑性,屈服应力为287M Pa,弹性模量为 2.0×105
M Pa.钢索采用强度等级为
1670M Pa 的高强度低松弛钢绞线.根据材料出厂检验报告,该批钢绞线的屈服强度为1630M Pa ,极限强度为1770M Pa,弹性模量为2.08×105
MPa.
图1 钢材应力-应变曲线
索支承实腹式钢拱试验模型的跨度为10m (轴线,图2),拱顶高度为1.0m ,高跨比0.1;实腹拱采用焊接工字型钢,截面尺寸160×200×6×8,钢拱段之间的节点采用带端板的高强度螺栓连接.钢索的垂悬度为0.05,采用结构规格为6×37～36mm 的可调节长度的高强钢绞线.撑杆采用550×5圆钢管,撑杆上端与拱采用销轴连接.撑杆1、2的长度分别为1270mm 和944mm
.
图2 试验模型以及加载示意
钢索与撑杆和钢拱可有多种连接方法,在本文试验中钢索为一根连续的可通过调节长度来施加预应力的钢绞线.索穿过撑杆的下端,
与撑杆端部焊接
图3 撑杆节点构造
的钢管用螺栓夹紧(见图3);索端通过夹片式压制接头与钢拱铰接(见图4).
图4 预应力索节点构造
这种索与钢拱的连接比一般的索穿过拱梁截面的方式受力更加合理,因为索穿过拱梁需要打孔,不
仅削弱截面承载能力,而且加载过程中索内力很大,对此段拱梁产生相应的压力,容易产生局部屈曲,而本文的连接方式不会产生这种影响.索支承钢拱具体节点构造措施见图3和图4.
3 试验装置和试验内容
3.1 试验装置
试验加载装置见图2,其中,索支承实腹钢拱与支座钢短柱铰接,钢支座底板与地面完全固定.竖向集中力用液压千斤顶通过加载梁施加.钢拱的平面外位移主要通过图5所示的三对三角架限制,同时
在液压千斤顶加载位置添加辅助夹具进一步限制结构平面外变形(图6),以此确保钢拱的侧向稳定.在三角架与钢拱的接触面上涂润滑油,以保证钢拱在平面内的变形不受限制.
3.2 量测内容
试验量测项目包括实腹钢拱跨中挠度、钢拱架
平面外位移、钢拱两端侧移、钢拱相应截面的应变、钢索以及撑杆的应变,测量数据通过电子传感器、位
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移计传至数据自动采集仪,以实现试验的实时控制.其中,应变片用来测定控制点的应力,位移计用来测定钢拱跨中、端头的位移和平面外位移.图7为测点布置图
.
图7 测点布置图
3.3 试验步骤
为了充分利用试验模型,本文在这一榀钢拱上做了三种工况试验.
工况一:普通实腹式钢拱弹性阶段试验钢拱架(暂不安装撑杆和钢索)安装就位后,每个加载点施加集中荷载至24kN,此时钢拱仅仅发生弹性变形,卸载.
工况二:索支承实腹式钢拱弹性阶段试验工况一钢拱卸载后,在钢拱预留位置安装撑杆1和钢索(不包括撑杆2),对钢索进行预紧,防止钢索松弛,张拉钢索施加预应力,加载,加载力每增加1kN 记录数据.每个加载点施加集中荷载至50kN ,此时结构只发生弹性变形,卸载.
工况三:索支承实腹式钢拱荷载试验
工况二卸载后,重新安装钢索,添加两根撑杆2,钢索穿过撑杆2和撑杆1(如图2)的下端如图3连接.张拉钢索施加预应力达到116kN,加载,在加载点施加集中荷载,直至钢拱架破坏.
4 试验现象及结果分析
4.1 试验现象
4.1.1 工况一,普通实腹式钢拱架弹性阶段试验
荷载达到24kN 的时候,实腹钢拱的跨中位移达到11.0m m,拱脚水平位移达到1.7m m(向外),钢拱平面外侧移小于1mm ,此时测点1处钢拱工字型截面的上翼缘应力为47.2MPa ,下翼缘应力达到-79.2MPa ,测点4处钢拱截面的上翼缘应力-50.2
M Pa ,下翼缘应力52.4MPa .在整个加载阶段,钢拱架完全处于弹性受力阶段.
4.1.2 工况二,索支承实腹式钢拱1弹性阶段试验
预紧钢索并张拉钢索控制其内力为82kN 时,钢拱跨中反拱为4.2m m,拱脚水平位移0.3mm (向内),钢拱平面外侧移小于1m m.测点1处钢拱截面
的上翼缘应力为-66M Pa ,下翼缘应力56MPa .测点4处钢拱截面的上翼缘应力74M Pa,下翼缘应力-48M Pa.
荷载达到50kN 时,钢拱架中挠度为17.7mm ,拱脚水平位移2.5mm (向外),钢拱平面外侧移0.4mm.测点1处钢拱工字型截面的上翼缘应力为68.4MPa,下翼缘应力-133.8M Pa,测点4处钢拱的上翼缘应力-149.6M Pa ,下翼缘应力13.4M Pa .4.1.3 工况三,索支承实腹式钢拱2破坏试验
张拉钢索,其内力为116kN 时,钢拱跨中反拱为15.2m m,拱脚水平位移3.3m m(向内),钢拱平面外侧移0.6mm .此时测点1处实腹式钢拱的上翼缘应力-80.0MPa,下翼缘应力5.0M Pa,测点4处实腹式钢拱的上翼缘应力66.0MPa,下翼缘应力-52M Pa .
加载,当各加载点荷载刚刚达到50kN 时,钢拱跨中挠度为2.3mm ,拱端侧移0.73m m(向内),钢拱平面外侧移1.24mm.测点1处实腹式钢拱的上翼缘应力为39.2M Pa ,下翼缘应力-94.4M Pa ,测点4处实腹钢拱的上翼缘应力-58.7M Pa,下翼缘应力6.84M Pa.
继续加载,各加载点荷载达到90kN 时,距离钢拱端侧560mm 处1号测点附近工字形截面下翼缘出现局部屈曲(对称位置的下翼缘没有出现),见图8,此时,钢拱的位移发生轻微变化.当荷载达到113kN 时,钢拱1号测点对称位置的上翼缘出现局部屈曲,见图9,原来的下翼缘局部屈曲区域没有明显扩展,钢拱的平面外位移从2.0mm 增至3.5mm.荷载增加到165kN 时,靠近跨中位置的钢拱加载点工字型截面上翼缘局部屈曲,见图10.
索支承钢拱加载至202kN 时,结构破坏.破坏表现为索支承的钢拱段的失稳破坏,钢拱梁工字形面在侧向支撑之间的拱梁段发生扭曲,见图11,平面
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第3期
李秀敏,等:索支承实腹式钢拱结构承载性能的试验研究
外的位移发生突变.此时索支承钢拱跨中挠度为126.8m m,拱脚水平位移14.6m m(向外),钢拱平面外侧移从4.2mm突增到14.6mm.此时测点5处钢拱梁的上下翼缘发生塑性变形.破坏后的钢拱只在起控制作用的截面翼缘处出现局部屈曲,腹板无屈曲现象.
4.2 试验现象分析
试验工况一、二钢拱受力和变形属于弹性阶段,其结果与理论计算结果基本一致.工况三实际的承载能力略小于计算值,而且钢拱上翼缘较早发生局部屈曲破坏时不对称.原因在于钢拱在制作加工时存在误差,沿钢拱轴线的各处截面量测工字形截面高度,上下翼缘之间间距差别有10m m,同时存在着一定的初始应力.
工况三的钢索预应力较大,加载后索内力增大,钢拱内轴力增大对钢拱的稳定不利,试验模型的平面外支撑远小于实际工程中檩条和屋面对钢拱的约束作用.这也导致钢拱最后在塑性承载阶段发生失稳破坏,截面扭转,能量释放.钢拱的破坏荷载小于理论计算极限承载力结果.
4.3 试验结果分析比较
对试验结果进行了分析,具体包括普通钢拱和不同索支承钢拱承载性能和结构刚度方面的比较、索支承钢拱内力和位移的变化规律、钢索预应力大小对钢拱受力性能的影响.
4.3.1 各工况之间的内力和位移比较
工况一、工况二和工况三在弹性受力阶段的荷载-拱顶位移曲线见图12,荷载-内力曲线见图14和15.
从图12、图14和图15可以直观看出,索支承体系使钢拱的内力减小,提高了结构的承载力;钢拱的结构刚度提高了约27%(图12).
张拉钢索施加预应力,工况二和工况三的索内力-荷载曲线见图16,荷载-撑杆1内力曲线见图13,荷载-跨中位移曲线见图12,荷载-应力曲线见图
14和图15.从图中可以看出预应力对钢拱端和跨
图12 拱顶位移(实测值)与荷载关系
图13 撑杆内力(实测值)与荷载关系
图14 测点4上翼缘应力(实测值)与荷载关系
图15 测点1下翼缘应力(实测值)与荷载关系
中起到很好的卸载作用.预应力作用下结构的反拱有效减小了钢拱的跨中位移.
30空 间 结 构 第11卷
图16 钢索内力(实测值)与荷载关系
4.3.2 钢索预应力大小对钢拱受力性能的影响
工况二和工况三的钢索预应力分别为82kN和116kN,它们各自的荷载-拱顶位移曲线见图12,荷载-撑杆内力曲线见图13,荷载-钢拱应力曲线见图14和图15.
工况三比工况二的预应力提高了41.46%,而图12表明,钢拱的结构刚度变化很小.荷载为50kN 时,工况三比工况二跨中位移减小15.43m m,图14和图15所示测点的截面最大应力分别减小91.4%和60.2%.
5 试验结果与理论结果比较
本文还对试验模型采用SAP程序进行了非线性有限元分析,各个模型的参数设置采用材性试验结果,分析模型尺寸同试验模型.撑杆和钢索采用杆单元,其中,索单元设置参数控制索只受拉力.取热膨胀系数1.2×10-5,利用索单元上的温度变化对结构施加预应力.弹性模量2.08×105,屈服强度1720M Pa.考虑大位移影响对模型进行弹塑性分析.试验结果与理论结果的比较如下.
(1)对工况二的试验结果和理论分析结果进行比较.加载过程跨中位移、钢索内力和钢拱应力的结果比较分别见图17、图18、图19和图20.
从图中的比较可以看出,试验结果与理论分析结果很接近.工况二的荷载较小,受力在弹性阶段,钢索预应力不大,钢拱的支座误差和结构初始缺陷对其影响不大.
(2)工况三的试验结果和和理论分析结果进行比较.加载过程跨中位移、钢索内力和钢拱应力的结果比较分别见图17～图20.
从图中的比较可以看出,在实腹式钢拱失稳前
的弹性阶段,试验结果与理论分析很接近.由于钢拱
图17 跨中位移与外荷载关系
图18 钢索内力与外荷载关系
图19 测点4上翼缘应力与外荷载关系
图20 测点1下翼缘应力与外荷载关系
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第3期李秀敏,等:索支承实腹式钢拱结构承载性能的试验研究
的制作误差和实际支座与理论上的铰支有一定差别,实际支座在塑性变形阶段实腹钢拱两端各有约15m m的位移(向外),实际的承载力小于计算值.
在图18中,工况二和工况三,钢索内力实际值和理论计算值比较吻合.实际试验过程中,预应力施加是通过实时监测索内力来控制,撑杆的内力直接由撑杆上电子传感器量测采集数据得来,和计算中得出的数据相符.较之通过撑杆伸长量来控制预应力施加和由此计算出所施加预应力的方法,内力更加接近理论计算值.它减少了在预应力施加过程中由于锚具回缩和钢索松弛等造成的实际预应力偏小的影响.
6 结 论
通过模型试验和试验与理论结果的对比分析可以得到以下结论:
(1)索支承实腹式钢拱通过预应力对钢拱施加了反方向荷载,提高了结构的刚度和承载力,充分利用了材料的强度,此种索支承钢拱适用于矢跨比不大的大跨度建筑.由文中普通实腹式钢拱与两种索支承实腹式钢拱的试验结果比较可见,预应力钢索和撑杆对于钢拱的承载性能和结构刚度有明显的提高作用.
(2)由工况二和工况三的结果比较可见,随着钢索预应力的增大,外荷载作用下钢拱的内力和变形减小,但钢索预应力大小对结构刚度没有影响.在实际荷载作用下,索支承钢拱结构的荷载位移之间基本呈线性关系.简支的索支承拱结构承载力在垂跨比相同的情况下随撑杆数目的增多有所增大.
(3)本文采用的钢索与撑杆的连接方式,在施加预应力和加载阶段不会造成钢索在通过撑杆处有较大的弯折,可很好保护钢索表面不被破坏;索与钢拱的连接在索内力很大的情况下不会对结构造成不利影响,对工程实践有一定的借鉴作用.
(4)索支承实腹式钢拱是一种典型的杆系结构,采用由梁单元、杆单元和索单元组成的混合有限元法并考虑结构的几何非线性可以得到较为符合实际的结果.
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