托臂支架的承载力试验研究

李光园，盛桂琳，金 岭，刘 昕，杜文风

(1.河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004；2.河南安诺尼建筑科技有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

随着现代化城市进程的发展，综合管廊主体结构的设计和建设已经走向成熟，托臂支架在综合管廊中的应用也变得日益广泛[1-3]。由于装配式托臂支架的性能优越，所以它逐渐取代传统支架在综合管廊中的应用。文献[4-5]对新型装配式支架体系的构件组成及施工安装优点进行了归纳。

托臂支架通常作为附属设备，一般参照相近专业的标准进行设计。文献[6-7]研究了支架的选用原则和设计原则，可为支架在实际工程中的应用提供理论依据。近些年来，中国一些学者开始对托臂支架力学性能进行试验研究，并通过有限元的方法对托臂支架进行数值模拟分析。文献[8]采用有限元仿真对复合材料托臂支架的承载力进行模拟，与试验有良好的拟合结果。文献[9-11]对托臂支架的布置与应用做了深入研究，提出了托臂支架在电力管廊中的线路铺设方法。文献[12]根据托臂支架的受力形式，给出了电力通信托臂支架的计算模型，为托臂支架在工程中的承载力和位移计算提供了有效参考。文献[13]通过有限元分析软件对托臂支架进行模拟分析，得到托臂支架的应力、应变、位移云图，可为托臂支架的设计提供可靠依据。文献[14]基于ANSYS软件对管线支架的抗震性能进行了相应的研究。文献[15]对三类支架进行拟静力试验，得出各类支架抗震的极限承载力。文献[16]通过控制方钢长度、托臂层数以及托臂形状，对托臂支架的承载力进行了探讨，发现双层异形钢截面的托臂支架承载力最大。文献[17]利用ABAQUS软件，对新型空间薄壁碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)豆荚杆式托臂支架进行了数值模拟，对不同壁厚、铺层及长细比参数进行了模拟分析，得出不同参数对承载力的影响。文献[18-20]通过对托臂支架进行静力有限元分析，找出托臂容易破坏的位置并进行优化，提高了托臂支架的承载力。

综上所述，目前对托臂支架在正常使用极限状态下力学性能的研究比较少，对承载力试验的研究也相对缺乏。研究影响托臂支架承载力的因素，主要集中在对托臂支架长度、厚度以及托臂支架的截面形式方面，而对于通过优化托臂支架底部来提高承载力的研究甚少。本文通过对4组托臂支架底部加方管，以及对2组在底部附加支撑的不可调节托臂支架进行试验。同时，以同样的加载方式对2组固定角度的可调节托臂支架进行了试验分析，得出影响托臂支架承载力的关键因素。本文对可调节托臂支架的承载力进行了试验研究，以期为可调节托臂支架在工程应用中提供理论基础。

1 试验

通过改变不可调节托臂支架的螺孔个数、螺孔位置、方管尺寸、底板厚度和底板加撑等变量来研究不可调节托臂承载力大小。采取同样的加载方式，对两种可调节托臂支架进行试验加载。

在河南大学平衡加载试验机上对8组足尺托臂支架进行承载力试验加载，可以得到托臂支架的承载力大小以及槽口下滑位移值。对试验结果进一步分析，得出优化托臂支架承载力的方案。

1.1 托臂支架的类型

托臂采用MQ-72型槽钢，槽钢内卷边带有锯齿，具有抗剪、止滑、抗冲击等功能，并能与相关配件形成良好的配合。槽钢带有特制凹槽，增加了槽钢的抗弯能力。本次试验选取的两类托臂支架模型如图1所示。

第1类： 可调节托臂支架，如图1a所示。这类托臂支架可以根据工程实际需要调节托臂支架的角度，有底板厚12 mm的丝杆式可调节托臂支架和底板厚8 mm的锁扣式可调节托臂支架两种。

第2类： 不可调节托臂支架。具体包括6种：①一个螺栓孔，方管长100 mm； ②两个螺栓孔，方管长100 mm； ③两个对角孔，方管长150 mm； ④两个中心孔，方管长150 mm； ⑤在托臂支架底板上附加梯形支撑，如图1b所示； ⑥在托臂支架底板上附加横板支撑。

(a) 可调节托臂支架(b) 附加梯形支撑的不可调节托臂支架

1.2 加载方案

首先，将托臂支架固定在平衡加载试验机上，分别在距离托臂支架槽口150 mm、350 mm和550 mm位置分级加载，加载装置的布置如图2所示。在对托臂支架施加荷载时，槽口处的位移最大，为了更准确地绘制荷载位移关系图，把位移计安装在托臂支架槽口边缘处。在试验加载过程中，将位移计表座安装在稳定的约束支座上，防止外界因素对试验测量值产生干扰。

图2 加载装置的布置

试验采用分级加载，每级荷载加载过后，观察托臂支架的变化情况，记录槽口下滑的位移值。每级荷载持续加载的时间为2 min,根据托臂支架的种类不同，加载的方式略有不同。为了准确地测量各个支架的承载力以及托臂支架的位移变化，减小试验误差，对同种托臂支架施加的荷载变化要求一致。

两类托臂支架的具体加载方式如下：

(1)将可调节托臂支架角度调节为145°，使托臂支架保持水平，然后开始进行试验加载。可调节托臂支架依次施加载荷值为4.0 kN、4.5 kN、5.5 kN、6.0 kN、6.5 kN、7.0 kN和7.5 kN等，每增加0.5 kN为一级，直到托臂支架无法继续加载为止。记录每次施加载荷时槽口下滑位移值，并仔细观察和记录每次施加载荷时托臂支架的破坏情况。

(2)不可调节托臂支架依次施加载荷3.5 kN、5.6 kN、6.5 kN、7.0 kN、8.0 kN和9.0 kN等，后续每增加1.0 kN为一级，直到托臂支架无法继续施加载荷为止。记录每次施加载荷时槽口下滑位移值，并仔细观察和记录每次施加载荷时托臂支架的破坏情况。

2 试验过程描述及分析

记录两种可调节托臂支架的试验现象如下：

对底板厚度为12 mm的丝杆式可调节托臂支架进行试验加载，可得：当加载荷载为4.0 kN时，槽口下滑位移值为34.8 mm，丝杆轻微变形，固定块稍微有所倾斜。荷载加载到5.5 kN时，槽口下滑位移值为44.1 mm，丝杆明显变形，固定块稍微有所倾斜。继续加载到7.0 kN时，底板与工装间出现裂缝，底板无弯曲，槽口下滑位移较大，托臂支架无法继续加载，如图3a所示。

对底板厚度为8 mm的锁扣式可调节托臂支架进行试验加载，可得：当加载荷载为4.0 kN时，槽口下滑位移值为37.6 mm，底板无明显变化。荷载加载到6.5 kN时，底板轻微变形。继续加载到7.0 kN时，底板轻微变形，锁扣滑移1 mm。继续加载到7.5 kN时，底板明显变形，锁扣出现明显裂缝，而且锁扣滑移2 mm，槽钢低孔处发生变形，槽口下滑位移较大，托臂支架无法继续加载,如图3b所示。

(a) 丝杆式可调节托臂支架 (b) 锁扣式可调节托臂支架

记录6种不可调节托臂支架的试验现象如下：

第①种不可调节托臂支架承载力试验：当加载荷载为3.5 kN时，槽口下滑位移值为12.1 mm，整个托臂支架无明显变化。当加载荷载为5.6 kN时，槽口下滑位移值为24.6 mm，此时托臂支架与套筒之间出现明显缝隙。继续加载至荷载为7.0 kN时，槽口下滑严重，与套筒之间的缝隙进一步增大，托臂支架无法继续加载,如图4a所示。

第②种不可调节托臂支架承载力试验：当加载荷载为3.5 kN时，槽口下滑位移值为26.4 mm，底板轻微变形，方管受压变形。当加载荷载为5.6 kN时，槽口下滑位移值为56.9 mm，底板出现变形，方管受压也发生明显变形。继续加载至荷载为6.1 kN时，方管开裂，槽口位移下滑严重，托臂支架无法继续加载,如图4b所示。

第③种不可调节托臂支架承载力试验：当加载荷载为3.5 kN时，槽口下滑位移值为9.9 mm，整个托臂支架无明显变化。当加载荷载为6.5 kN时，槽口位移值为18.6 mm，方管整体下滑，发生轻微变形。当加载荷载11.0 kN时，方管整体明显下滑，底板变形。继续加载至荷载为11.3 kN时，槽钢倾斜严重，底板严重变形，托臂支架无法继续加载,如图4c所示。

第④种不可调节托臂支架承载力试验：当加载荷载为3.5 kN时，槽口下滑位移值为9.1 mm，整个托臂支架无明显变化。当加载荷载为6.5 kN时，方管受压下滑，槽口下滑位移值为18.2 mm。继续加载至荷载为9.0 kN时，底板出现弯曲。继续加载至荷载为9.6 kN时，托臂支架因槽口位移过大，无法继续加载,如图4d所示。

第⑤种不可调节托臂支架承载力试验：当加载荷载为3.5 kN时，槽口下滑位移值为7.8 mm，整个托臂支架无明显变化。继续加载至荷载为8.0 kN时，槽口下滑位移值为22.1 mm，底板上方与工装间出现缝隙，底板无变形。当加载荷载为11.8 kN时，底板与工装间缝隙进一步增大，底板变形，托臂无法继续加载,如图4e所示。

第⑥种不可调节托臂支架承载力试验：当加载荷载为3.5 kN时，槽口下滑位移值为5.1 mm，整个托臂支架无明显变化。继续加载至荷载为7.0 kN时，槽口下滑位移值为12.7 mm，底板上方工装间有缝隙，底板无变形。当加载荷载为11.0 kN时，槽口下滑位移值增大到34.1 mm，底板轻微变形。继续加载到11.3 kN时，底板变形明显，托臂支架无法继续加载，如图4f所示。

(a) 不可调节托臂支架① (b) 不可调节托臂支架② (c) 不可调节托臂支架③

(d) 不可调节托臂支架④ (e) 不可调节托臂支架⑤ (f) 不可调节托臂支架⑥

分析试验过程可得：可调节托臂支架主要承受的是竖向压力荷载。对于丝杆式可调节托臂支架，在受力过程中，丝杆和固定块受到的分力较大，丝杆受弯发生变形，托臂支架底部受到的弯矩最大，使底板与工装间产生缝隙，导致托臂支架失去承载力。锁扣式可调节托臂支架在受力过程中，锁扣受力较大，容易发生滑移甚至破坏，锁扣破坏后，托臂支架失去承载力。两种可调节托臂支架的破坏原因稍有不同，在支架承受上部荷载的过程中，槽钢受到的上部荷载传递给丝杆或者锁扣，丝杆或者锁扣受力较大，两种托臂支架发生破坏的主要形式都是受压破坏。

相比而言，不可调节托臂支架受力路径较为简单，在进行试验加载时，受力状况和结构力学中的悬臂梁非常类似。在对托臂支架施加荷载时，弯矩和荷载施加的位移成线性关系，底部所受到的弯矩最大，也是最容易发生破坏的位置。对于带方管的不可调节托臂支架，托臂支架受力会通过螺栓传递给方管一部分，方管受到支架传递的压力发生变形，当继续加载后方管出现开裂，托臂支架发生破坏，失去承载能力。对于附加支撑的不可调节托臂支架，破坏主要是因为上部荷载产生弯矩较大，造成底板开裂，槽口的下滑位移值过大，变形严重，托臂支架失去承载力。

3 试验结果分析

3.1 托臂支架承载力比较

试验采用的槽钢支架长800 mm，槽钢截面积为492.8 mm2，槽钢壁厚2.75 mm。本试验设计了8组试件，试件参数与承载力实测值见表1。

表1 试件参数与承载力实测值

由表1可知：锁扣式可调节托臂支架在145°进行加载试验，承载力只有7.5 kN，丝杆式可调节托臂支架的承载力更小，为7.0 kN。两个中心孔螺栓、方管长100 mm的不可调节托臂支架承载力为6.1 kN，承载力最大的是附加梯形支撑的不可调节托臂支架，承载力可以达到11.8 kN，几乎是前者承载力的2倍。

3.2 影响托臂支架承载力的关键因素

通过对比2组可调节托臂支架的试验结果可知：锁扣式可调节托臂支架的承载力与丝杆式可调节托臂支架的承载力相比，前者较大，但在相同加载荷载条件下前者槽口位移值偏大。锁扣式可调节托臂支架底板采用厚8 mm的钢板，丝杆式可调节托臂支架底板采用厚12 mm的钢板。底板越厚的托臂支架下滑位移值越小，更能满足工程的实际需要。

对比第②种和第④种不可调节托臂支架的试验结果可知：方管长度增加50%，托臂支架的承载力可提升57.38%，而且在相同加载荷载条件下，后者的槽口下滑位移值更小。加载荷载为5.6 kN时，第②种和第④种托臂支架的槽口下滑位移分别为56.9 mm和15.3 mm。由此可知：方管长度是影响托臂支架承载力的重要因素，增加方管长度可以有效增大托臂支架的承载力，减小槽口下滑位移值。螺栓布置的位置对托臂支架的承载力也有很大影响，通过对比第③种和第④种不可调节托臂支架可知：同样的螺栓个数和开孔数，采用对角螺栓方向布置的托臂支架比采用中心螺栓布置的托臂支架承载力更大，承载力高出了17.71%。对于附加梯形支撑不可调节托臂支架，梯形支撑在底板上纵向排列，与槽臂方向平行，相当于增大了槽臂有效高度，截面抵抗矩增大，托臂支架的抗弯能力明显提高，承载力增大。板支撑在底板上横向排列，与槽臂方向垂直，当托臂支架受到上部荷载时，槽钢受压，一部分力传递给上部横板，横板支撑分担了一部分托臂支架所受到的压力荷载，横板对槽钢有向下的力，使得托臂支架的承载力明显提升。对比试验结果可知：2组附加支撑的托臂支架承载力最大，相同荷载条件时槽口下滑位移值也最小，力学性能最好。

3.3 托臂支架承载力-位移曲线分析

由试验测得各个托臂支架加载时的承载力-位移值，并绘制成曲线，如图5所示。对图5a进行分析可得：锁扣式可调节托臂支架比丝杆式可调节托臂支架的承载力略大，但在相同加载荷载下，丝杆式可调节托臂支架相比锁扣式可调节托臂支架槽口下滑位移值偏小。试验加载初期，两种可调节托臂支架的变形已经很明显，在可调节托臂支架并未进入弹塑性阶段，因槽口下滑位移值较大而停止加载。由图5b可知：在带方管的托臂支架中，第①种和第②种不可调节托臂支架的承载力-位移曲线斜率较大；与前两种相比，第③种和第④种不可调节托臂支架承载力-位移曲线较平缓，在单位荷载作用下位移增量较小，托臂支架的承载力也就越大。与带方管的托臂支架相比，附加支撑的托臂支架承载力-位移斜率最为平缓，承载力性能表现良好。在前期加载过程中，两种附加支撑的托臂支架处于弹性阶段，在相同加载荷载条件下，附加横板支撑的槽口下滑位移值最小；但是，在加载荷载为10.0 kN时，其承载力-位移曲线的斜率突然增加，附加横板支撑的托臂支架率先进入弹塑性阶段。相比而言，附加梯形支撑的托臂支架的承载力更大，力学性能最好。

(a) 2组可调节托臂支架的承载力-位移曲线 (b) 6组不可调节托臂支架的承载力-位移曲线

4 结论

(1)在各托臂支架承载力试验中，附加支撑的托臂支架相比其他托臂支架试验承载力最大，在相同荷载条件时槽口下滑位移值也最小。

(2)底板厚度为8 mm的托臂支架，在施加荷载时更容易发生变形，无法满足使用要求。在托臂支架的方管长度为100 mm和150 mm的试验对比中，方管长度增加50%，承载力可以提高57.38%，在相同加载条件下，长度为100 mm的方管更容易发生变形。对角螺栓布置的托臂支架承载力比中心孔螺栓布置的托臂支架承载力更好。

(3)附加横板支撑的托臂支架槽口位移控制最好，附加梯形支撑的托臂支架承载力最大。虽然增加底板厚度可以有效减小槽口下滑位移值，增加方管长度可以有效增加托臂支架的承载力，但相比附加支撑而言成本较高。所以通过改变附加支撑的形状、大小和位置来改善托臂支架的整体刚度和强度，达到提升承载力、降低槽口下滑位移的效果最优。