轻型三角形可折叠式钢撑轴心受压试验研究

张月楼 ZHANG Yue-lou；刘祥 LIU Xiang；张良兰 ZHANG Liang-lan；宋生志 SONG Sheng-zhi；彭成波 PENG Cheng-bo；张捷 ZHANG Jie；王立铭 WANG Li-ming

（中建八局新型建造工程公司，上海 200125）

0 引言

钢结构安装过程中，为了给上部分片或分块钢结构临时支撑，常常用到临时支撑[1]。现阶段，最广泛使用的是重型格构式、实腹或组合钢结构临时支撑[2]。

传统钢结构临时支撑，其结构构件通常很重，在安装施工过程中，重型支撑将表现出优越的性能。但对于空间网壳等轻质结构，其构件轻，重型支撑就有些大材小用。为此，我们开发了可折叠式轻型钢结构临时支撑，传统临时支撑多为现场焊接或螺栓安装，该新型支撑可以实现折叠安装，更加集成高效；传统钢结构支撑平面形状多为四边形，该轻型支撑为三角形，更便于运输和存放；单节重量轻，可避免机械吊装。两个人即可完成拆装，有效提高施工效率，节省成本和工期。

1 试验概况[3]

折叠式轻型支撑主体结构平面形状为三角形，腹杆和主杆通过中间的旋转节点连接在一起，上下结构单元段通过公母接头和三角形平面抱箍连接在一起。

2 试验总体方案

试验总体布置如图1 所示。对于预先设计的试件进行轴向加载[4]。

图1 试验现场实景图

2.1 应变监测方案

试件的主要承重构件为三角形三个角点的立柱。可能发生整体失稳，也可能发生单肢失稳。因此，应变片布置在三根立柱的东、南、西、北方向，每根立柱设置了四个应变片布置点，布置点位于距离底座上表面500mm 处。

为了测试除钢管柱外的其他关键部件的应力水平，在轻型支撑下部的三根斜撑上布置了应变片。斜撑应变片布置在构件中间。

测试组件有15 个应变片。所有应变方向与粘贴构件的轴方向一致。

2.2 位移测试方案

为了监测三角形支撑结构在试验加载过程中各个部位竖向位移的实时变化，在三根立柱处设置了竖向位移计。在顶部三角形的重心处同样放置了一个竖向位移计，来实时监测在试验过程中重心处的竖直位移。

水平方向上，在三角形支撑顶部还设置两个水平位移计，分别监测两个水平方向上在试验过程中的水平位移变化。

2.3 试验荷载施加方案

荷载施加过程分为预加载和正式加载。

预加载由力控制。根据试验前用ABAQUS 进行了结构有限元分析，结果显示本次试验的三角形轻型支撑的屈服载荷为500 吨，故正式试验考虑采用100kN 的预加载值。

本试验的正式加载过程采用位移控制法。数字作动器的竖向位移以0.3mm/min 控制的原则向下施加荷载，加载至结构屈服，从最大承载力下降到最大承载力80%时停止试验，试验加载标准见表1。

表1 轴心受压构件加载准则

3 轴心受压构件试验结果

3.1 试验现象

弹性加载阶段过程中，各构件受力逐渐增加，各节点连接正常。到达极限荷载后，进一步加载，三根钢管柱逐渐屈曲，但南侧钢管的屈曲最为明显，屈曲方向垂直于钢管与斜杆组成的平面，如图2 所示。南侧钢管的主要变形发生在上段，说明底座对于临时支撑下段可以进行有效固定，结构的主要屈服变形发生在支撑上段。

图2 试验件变形图

3.2 支撑的位移结果

画出轻型支撑的力与位移关系曲线，如图3 所示，根据力与位移关系曲线试验结果可以看出，三角形轻型支撑轴心受压试件的极限承载力为621.5kN，从图4 可以看出顶部三角形的重心处竖向位移与三根角部立柱处竖向位移的平均值数值相近。随着施加荷载逐步增大，三角形轻型支撑南侧立柱最先发生失稳，竖向位移快速增大，南侧立柱相对于北侧两根立柱受力状态更为不利，另外两根钢管柱的竖向位移增加幅度明显低于发生了失稳的南侧钢管。

图3 竖向位移-竖向荷载曲线

图4 重心处位移与三肢钢柱位移平均值对比曲线

3.3 支撑的应变结果

3.3.1 角部三根立柱应变

画出轻型支撑的应变-竖向荷载关系曲线如图5 所示，可以看出，支撑在施加荷载为600kN 以内阶段，三根立柱的应变数值与竖向荷载基本呈现线性关系，构件各处截面应变分布均匀，各钢管柱处于轴压状态。

图5 钢管应变-竖向荷载曲线

荷载超过极限荷载后，南侧钢管柱应变开始减小，西北角和东北角钢管应变增大，说明南侧钢管失稳破坏后，三根钢管的内力重新分配，南侧钢管的内力传递给北侧两个钢管。同时，从三根钢管柱的应变值可以看出，三根钢管的应变还未达到屈服应变，说明在外荷载作用下，由于几何非线性影响，轻型支撑构件发生了弹性失稳。

3.3.2 斜杆与横杆应变

在试验中，对下部三根斜杆的应变进行了测试，应变-荷载曲线如图6 所示。从图中可看出，斜杆在轻型支撑系统试验全过程中应变值均较小。当竖向荷载加载值低于600kN 时，斜杆在东斜面（S13）上的应变为拉应变，其他两根斜杆受压，此时测得斜杆应变数值较小，应变最大值为50με。随着立柱度过弹性阶段，达到极限承载力后，开始发生立柱屈曲失稳，由于立柱变形，受压斜杆逐步变为受拉斜杆，但杆应变数值依旧较小，应变最大值为430με，斜杆依然为弹性受力状态。

图6 斜杆应变-竖向荷载曲线

轻型支撑横杆随着立柱度过弹性阶段，达到极限承载力后，开始发生立柱屈曲失稳，由于立柱变形，受压横杆逐步变为受拉斜杆，应变最大值为720με，横杆依然为弹性受力状态。

在本轻型支撑结构中，斜杆与横杆主要用于增强立柱平面内刚度，减少立柱计算长度系数，提高受压构件稳定性承载力[5]。从试验结果也可以看出，同一节段内，竖向钢管在斜杆组成的平面内稳定性较好，而在斜杆平面外，竖向钢管由于没有支承点，使得竖向钢管在斜杆平面外发生了失稳。

4 结论[6]

①通过本次轻型支撑系统的轴心受压承载性能试验，可发现本次试验的三角形轻型支撑轴心加载弹性承载力为600kN，极限承载力为621.5kN。②在本次试验布置的条件下，由于杆件比较细长，构件均为弹性失稳破坏。③轻型支撑系统的构件破坏发生于设置有可打开活节的钢管柱上，对该位置在后续设计中，应进一步提高制作精度，并进行系统分析该连接对承载力的影响。