基于臨時支撐結(jié)構(gòu)的桿件初彎曲對其軸壓性能的影響

尹 飛， 王化杰， 錢宏亮， 常德賜， 張 凱

(哈爾濱工業(yè)大學(威海)土木工程系，山東威海 264209)

對于實際工程中細長桿件幾乎都存在較大的初始彎曲，而桿件初彎曲對于軸壓承載力影響較大。GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中軸壓穩(wěn)定系數(shù)φ考慮1/1000桿長的初彎曲，最新GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》中建議根據(jù)結(jié)構(gòu)體系特點確定整體缺陷值，目前對于初始缺陷的研究大多是針對圓管桿件，如JGJ 7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定網(wǎng)殼缺陷最大計算值可按網(wǎng)殼跨度的1/300考慮。通過對超厚底板臨時支撐桿件調(diào)研統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，各種桿件初彎曲幅值都大概率超過1/1000，研究初始彎曲對桿件受力性能的影響很有必要[1]。

對于軸壓圓管桿件來說，桿件初彎曲方向決定了桿件的彎曲變形方向。而型鋼桿件彎曲方向往往與桿件初彎曲方向不同，其軸壓穩(wěn)定承載力也有較大差別，因此應對初彎曲方向?qū)π弯摋U件穩(wěn)定承載力的影響展開深入研究。

本文結(jié)合具體工程項目，對超厚底板臨時支撐的桿件初彎曲進行了調(diào)研統(tǒng)計分析，給出了一套型鋼桿件初彎曲的測量統(tǒng)計方法，得到了一定保證率下的臨時支撐桿件初彎曲取值。并對初彎曲形態(tài)、初彎曲方向、初彎曲幅值對軸壓槽鋼桿件穩(wěn)定承載力的影響展開了研究，為類似型鋼桿件初始彎曲的調(diào)研和設(shè)計取值提供了參考。

1 桿件初始彎曲的測量及統(tǒng)計

首先應根據(jù)桿件的幾何特征在兩個正交方向劃分相應的測線，并在測線上等間距選取測點。將試件通過方鋼支座放在大理石平臺上方，在平臺相應測點位置用記號筆標注，試件縱軸與平臺縱軸平行放置，試件兩端高差控制在2 mm以內(nèi)。利用激光位移計對測點進行測量，初始彎曲測量裝置如圖1所示。

圖1 初始彎曲測量裝置

通過取平均值等數(shù)據(jù)處理方法，并剔除桿件自重及支座約束的影響后，近似求出軸線初彎曲曲線。最后通過初彎曲幅值的概率分布曲線給出一定保證概率下的桿件初彎曲取值。

本文針對兩種超厚底板臨時支撐的桿件初彎曲進行了調(diào)研，分別為“重慶中迪廣場”項目的圓管桿件和金邊富力華府項目的槽鋼桿件，其中圓管桿件長度為3.3 m，截面規(guī)格為φ84×3 mm；槽鋼桿件長度為2.5 m，槽鋼截面腰厚3 mm，高80 mm，寬43 mm，翼緣板厚8 mm。槽鋼桿件初彎曲曲線圖和桿件初彎曲取值分別如圖2和表1所示。

圖2 槽鋼桿件Y向(弱軸)初彎曲曲線

由圖2和表1可以看出，實測調(diào)研的臨時支撐桿件初始彎曲要大于規(guī)范所考慮的桿件初彎曲。

2 初始彎曲對桿件軸壓性能的影響

2.1 初始彎曲波形對槽鋼桿件穩(wěn)定承載力的影響

調(diào)研得到的槽鋼桿件初彎曲大部分近似為半波正弦的C型曲線，個別桿件初彎曲形態(tài)為S型。本文通過改變桿件節(jié)點坐標的方法，對槽鋼桿件分別添加C型曲線和S型曲線形態(tài)的正方向?qū)崪y初彎曲，利用Ansys軟件對桿件鉸接軸壓承載力進行了研究，如圖3所示為槽鋼桿件MISES應力云圖。

表1 桿件初彎曲取值

圖3 不同波形槽鋼桿件MISES應力云圖

由圖3可以看出，兩種桿件彎曲方向均沿弱軸，強軸彎曲變形不大，兩種初始彎曲波形的槽鋼桿件的穩(wěn)定承載力分別為50.7 kN和59.9 kN，C型初彎曲曲線更為不利，而S型初彎曲曲線反而使得桿件穩(wěn)定承載力得以提高，后續(xù)研究添加桿件初彎曲波形均為C型。不同半波數(shù)下桿件穩(wěn)定承載力如表2所示。

表2 桿件穩(wěn)定承載力 kN

2.2 初始彎曲方向?qū)Σ垆摋U件受力性能的影響

規(guī)定0 °為X方向，90 °為Y方向，槽鋼方向如圖4所示。參考調(diào)研得到桿件初彎曲幅值區(qū)間，分別添加1 ‰和3 ‰的桿件初始彎曲，改變初彎曲施加方向，桿件穩(wěn)定承載力極值如表2所示。

圖4 槽鋼桿件方向示意

表3 穩(wěn)定承載力最值 kN

由表3可以看出，初彎曲方向?qū)Σ垆摋U件穩(wěn)定承載力有較大影響，Y軸負向初彎曲對槽鋼桿件承載力影響最大。

研究表明無論添加任何方向桿件初始彎曲，槽鋼桿件最終受壓破壞時均沿弱軸方向發(fā)生彎曲，角度偏差在3 °以內(nèi)。穩(wěn)定承載力隨初彎曲方向的變化曲線如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定承載力隨初彎曲方向的變化曲線

由圖5可以看出，Y軸正向(開口方向)和Y軸負向添加相同初始彎曲后，穩(wěn)定承載力并不相同。將桿件穩(wěn)定承載力隨初彎曲方位角的變化曲線進行分段擬合，擬合公式如表4所示。

表4 擬合公式

由表4可以看出，擬合公式相關(guān)系數(shù)較高，槽鋼桿件穩(wěn)定承載力隨初彎曲方位角的變化曲線是拋物線。

2.3 初始彎曲幅值對桿件穩(wěn)定承載力的影響

考慮到初彎曲幅值小于1/1000或大于1/100均不具有實際研究意義，對圓管桿件分別添加0.2 ‰(模擬理想桿)、1 ‰、3 ‰、5 ‰、6.2 ‰(實測初彎曲)和10 ‰的桿件初彎曲，荷載位移曲線和穩(wěn)定承載力分別如圖6和圖7所示。

圖6 圓管桿件的荷載位移曲線

圖7 圓管桿件穩(wěn)定承載力

對于添加1 ‰初彎曲的圓管桿件，采用GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中軸心受力構(gòu)件計算方法N=fφA，算得承載力為94.8 kN，略小于Ansys分析結(jié)果97.8 kN，誤差在3 %以內(nèi)。

對槽鋼桿件分別添加0.1 ‰(模擬理想桿)、1 ‰、2.81 ‰(實測弱軸初彎曲)、5 ‰和10 ‰的Y軸負向的桿件初彎曲，槽鋼桿件的荷載位移曲線和穩(wěn)定承載力分別如圖8和圖9所示。

圖8 槽鋼桿件的荷載位移曲線

由圖6～圖9可以看出，初始彎曲幅值對桿件穩(wěn)定承載力影響較大，槽鋼桿件穩(wěn)定承載力隨初彎曲幅值變化近似指數(shù)衰減，添加1 ‰初彎曲和實測初彎曲承載力下降幅度如表5所示。

表5 桿件穩(wěn)定承載力下降幅度 %

圖9 槽鋼桿件穩(wěn)定承載力

由表5可以看出，對于超厚底板臨時支撐結(jié)構(gòu)中桿件應考慮更大的桿件初始彎曲。對于其他類似工程，應針對具體工程項目應進行充分調(diào)研，根據(jù)結(jié)構(gòu)體系特點確定整體缺陷值。

3 結(jié)論

(1)對超厚底板臨時支撐桿件初彎曲的調(diào)研統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，相比規(guī)范所考慮的桿件初彎曲，實測調(diào)研的臨時支撐桿件初彎曲幅值更大。

(2)C型半波正弦初始彎曲對臨時支撐桿件穩(wěn)定承載力更為不利；桿件穩(wěn)定承載力隨初彎曲幅值變化明顯，近似成指數(shù)衰減。

(3)對于槽鋼桿件，槽鋼桿件穩(wěn)定承載力隨初彎曲方向的變化明顯，變化曲線近似為兩段拋物線，桿件沿弱軸發(fā)生彎曲變形，角度偏差在3 °以內(nèi)。