高大模板支架模型試驗(yàn)受力分析

張標(biāo)，劉艷兵，孔令召，程樺

(1.濟(jì)寧市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)寧，272000；2.中藍(lán)地產(chǎn)發(fā)展集團(tuán)有限公司青島分公司，山東 青島，266000；3.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥，230601)

0 引言

合肥市渡江戰(zhàn)役紀(jì)念館船頭懸挑結(jié)構(gòu)施工高大模板支架結(jié)構(gòu)體系的搭設(shè)最高高度為40 m，該模板支架所能承受的總重量約為7500 t，該工程結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜。目前由于支架體系設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)引起的坍塌事故[1-8]時(shí)有發(fā)生，為研究高大模板支架的受力分析[4]，為相似工程提供工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各種因素采用架體模型試驗(yàn)，該試驗(yàn)的幾何相似常數(shù):SL=1/3。(綜合考慮各種因素，該試驗(yàn)忽略剪刀撐的作用。)

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于渡江戰(zhàn)役紀(jì)念館結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，為了確保模板支架體系的穩(wěn)定與安全，進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，通過試驗(yàn)測量立桿軸力沿立桿分布受力規(guī)律和橫桿受力分析，研究模型的受力特點(diǎn)，為相似工程提供工程經(jīng)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

原模板支架采用φ48×3.0鋼管，模板支架立桿縱、橫向距離均是600 mm，模型步距1200 mm。

試驗(yàn)鋼管用 φ16×1.0(mm)焊接鋼管[9]，鋼管的彈性模量E的相似系數(shù):SE=1。

立桿縱、橫向距離均是200 mm，模型步距400 mm，模型支架整體為 400 mm×400 mm×2067 mm，掃地桿高出地面67 mm，立桿頂外伸33 mm，模型詳見圖1。模型試驗(yàn)桿件連接節(jié)點(diǎn)采用扣件里面加入45號(hào)鋼(兩個(gè)采用線切割成8 mm半圓孔)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 測立桿軸力

在模型的每層立桿中部布置應(yīng)變片測立桿軸力，應(yīng)變片位置詳見圖2、圖3，YE2539高速靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3.2 測橫桿應(yīng)力

每一層橫桿中部貼應(yīng)變片測其應(yīng)力，應(yīng)變片位置詳如圖2、圖3。

1.4 試驗(yàn)加載方案

在模型的立桿頂以集中力的形式加載[10]，集中力通過二級(jí)分配梁使立桿頂均勻受力，加載分預(yù)加載和分級(jí)加荷。

(1)預(yù)加載:為確保試驗(yàn)設(shè)備能進(jìn)行正常工作，預(yù)加集中力:2.5 kN。

(2)分級(jí)加荷:每級(jí)加載2.5 kN；上一級(jí)穩(wěn)定后(加載3 min左右，施加集中力變化控制在0.1%，否則，再加載3 min)，再加載下一級(jí)；注意模型變形，加到40 kN，整個(gè)架體發(fā)生失穩(wěn)。

圖3 應(yīng)變片在立桿、橫桿位置

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

該模型四周均未布設(shè)垂直剪刀撐，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮斠妶D4所示。

2.2 立桿軸力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該模型中測得各個(gè)立桿軸力，立桿應(yīng)變片詳見圖2、圖3。立桿L1、L4、L5軸力詳見圖5～圖7。

根據(jù)實(shí)測各個(gè)立桿軸力，得出結(jié)論:

(1)在試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)生失穩(wěn)之前，該試驗(yàn)立桿的力值從上到下基本沒有變化，直至加到40 KN時(shí)，各個(gè)立桿的軸力才發(fā)生較大的變化。

圖4 試驗(yàn)詳圖

圖5 立桿L1測點(diǎn)軸力圖

圖6 立桿L4測點(diǎn)軸力圖

圖7 立桿L5測點(diǎn)軸力圖

(2)模型失穩(wěn)無征兆，模型整體變形非常小，立桿呈S型變形，由于加載加大，模型整體扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞。

3、模型失穩(wěn)時(shí)，立桿軸力受力不同，最大軸力出現(xiàn)在中部立桿；各個(gè)立桿軸力相等，立桿軸力自上到下基本相等。

2.3 模型橫桿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該模型中測得各個(gè)橫桿的應(yīng)力，橫桿的應(yīng)變片詳見圖2、圖3。以2、4、6層橫桿為研究對象，橫桿應(yīng)力如圖8～圖10。

圖8 6層橫桿應(yīng)力圖

圖9 4層橫桿應(yīng)力圖

圖10 2層橫桿應(yīng)力圖

根據(jù)測得的各橫桿軸力數(shù)據(jù)，可得以下結(jié)論:

(1)橫桿在加載中，各橫桿應(yīng)力變化較小，在加載過程中，橫桿的承受力較小，橫桿上應(yīng)力不是架體失穩(wěn)的主要原因。

(2)橫桿所受應(yīng)力為拉、壓應(yīng)力，在加載過程中，模型產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)的變形，對模型整體穩(wěn)定不利。

(3)加載時(shí)橫桿對立桿的協(xié)調(diào)變形效果不好，模型失穩(wěn)時(shí)，橫桿應(yīng)力較大跳躍，架體整體失穩(wěn)時(shí)，橫桿對立桿約束效果比較好。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 幾何模型建立

根據(jù)現(xiàn)場架體搭設(shè)方案:立桿橫距、縱距均為0.2 m，立桿步距0.4 m。

3.2 材料

鋼管 φ16×1.0 mm，彈性模量 E=2.06e11，密度7850 kg/m3。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

立桿與立桿的連接為剛接，橫桿與立桿的連接為半剛接，符合實(shí)際工程情況；本試驗(yàn)未考慮初始缺陷。

經(jīng)過3D3S數(shù)值模擬分析，得該模型的軸力、應(yīng)變圖(圖11)。

圖11 立桿L5、L6、L9軸力、應(yīng)變圖

3.4 數(shù)值模擬結(jié)論

通過試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值對比可知:

(1)從3D3S有限元進(jìn)行的模擬結(jié)果，大部分架體立桿應(yīng)力為95.56 MPa，最大112.47 Mpa發(fā)生在模型的立桿頂部，小于設(shè)計(jì)值205 MPa。這表明模型立桿所承受力安全儲(chǔ)備較大。

(2)有限元分析的荷載—軸力曲線成線性關(guān)系，且各個(gè)立桿上、中、下軸力值基本相等，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

(3)模型計(jì)算的荷載—軸力擬合曲線可看出:在各個(gè)立桿的頂端施加同樣大小的豎向荷載時(shí)，中間立桿的軸力要比邊緣立桿的軸力大，這與試驗(yàn)結(jié)果相符。

4 結(jié)論

通過模型試驗(yàn)，得如下結(jié)論:

(1)在模型失穩(wěn)前，該試驗(yàn)立桿的力值從上到下基本沒有變化；模型失穩(wěn)無征兆，模型整體變形非常小，立桿呈S型變形，由于加載加大，模型整體扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)破壞。立桿軸力受力不同，最大軸力出現(xiàn)在中部立桿；各個(gè)立桿軸力相等，立桿軸力自上到下基本相等。

(2)橫桿在加載過程中，所受應(yīng)力變化較小，并出現(xiàn)了拉、壓力。模型失穩(wěn)時(shí)，橫桿對架體的立桿約束比較明顯。

(3)有限元分析的荷載—軸力曲線成線性關(guān)系，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

(4)模型計(jì)算的結(jié)果可看出:在立桿的頂端施加同樣大小的豎向荷載時(shí)，中間立桿的軸力要比邊緣立桿的要大，這與試驗(yàn)結(jié)果相符。

(5)該模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為相似工程設(shè)計(jì)、施工提供工程經(jīng)驗(yàn)。