Floorpro桁架結(jié)構(gòu)靜力荷載試驗(yàn)報(bào)告課件_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、Floorpro桁架結(jié)構(gòu)靜力荷載試驗(yàn)報(bào)告1.前言歐本樓層“Floorpro”鋼桁架次梁專(zhuān)為現(xiàn)澆樓層體系設(shè)計(jì),與鋼構(gòu)、混凝土甚至砌塊組成的框架系統(tǒng)都可以進(jìn)行完美的連接。鋼桁架次梁的上弦伸入混凝土中,與混凝土樓板共同作用,而下弦則可用作吊頂或設(shè)備的支承件。由于桁架與混凝土的組合設(shè)計(jì),使得整體結(jié)構(gòu)的用鋼量大大地降低,而結(jié)構(gòu)所能承受的最大荷載卻得到了增加?!癋loorpro”鋼桁架次梁在國(guó)外已經(jīng)大量使用,而在我國(guó)卻處于起步階段。為了進(jìn)一步了解Floorpro鋼桁架的承載力及受力性能,并結(jié)合我國(guó)國(guó)情將這一經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用,上海歐本鋼桁架工程有限公司特委托浙江大學(xué)土木系,進(jìn)行足尺模型的

2、靜力加載試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)靜力加載試驗(yàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的規(guī)范和原材料及上海歐本鋼桁架工程有限公司的制作工藝,擬對(duì)鋼桁架變形、桿件受力特點(diǎn)及承載力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)足尺模型的試驗(yàn),以驗(yàn)證Floorpro桁架的設(shè)計(jì)承載力及其變形是否滿(mǎn)足規(guī)范要求,并對(duì)其受力特性進(jìn)行研究。2.試驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容通過(guò)靜力加載試驗(yàn),對(duì)Floorpro桁架的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)定。結(jié)構(gòu)性能檢驗(yàn)的項(xiàng)目有:彈、塑性階段承載力和撓度。Floorpro桁架3根,跨度7.5米,間距1.25米,上澆80mm厚C40混凝土,內(nèi)配7200單層雙向鋼筋。 通過(guò)對(duì)其進(jìn)行靜力加載試驗(yàn),對(duì)其整體變形、桿件局部變形、撓度、轉(zhuǎn)角、及承載力實(shí)測(cè);撓度允許值取1/400跨度,可得撓度允

3、許值18.75mm 測(cè)試的具體實(shí)施方法和過(guò)程依據(jù)以下有關(guān)規(guī)范及文件:1混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB 500102002); 2建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 (GB 500092001);3鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB 500172003);4 甲方提供的設(shè)計(jì)圖以及有關(guān)的理論計(jì)算數(shù)據(jù)。本次靜力加載主要以板面滿(mǎn)布荷載為主要工況,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在豎向板面荷載作用下的承載力??紤]到該桁架體系相對(duì)的平面外剛度遠(yuǎn)小于平面內(nèi)剛度,雖然有橫向支撐來(lái)限制平面外失穩(wěn),但該措施屬于構(gòu)造措施,是否能夠滿(mǎn)足要求,還需要進(jìn)行偏載試驗(yàn)。因此根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式、施工過(guò)程以及相關(guān)的規(guī)范要求,結(jié)合甲方的意見(jiàn),本次試驗(yàn)主要選取中間一榀鋼桁架次梁為測(cè)試對(duì)象。

4、桁架試驗(yàn)測(cè)試的內(nèi)容主要是以下項(xiàng)目:1 滿(mǎn)載和偏載下的桁架整體變形。2 滿(mǎn)載和偏載下的桁架的承載力。3 滿(mǎn)載和偏載下的桁架主要桿件的內(nèi)力。4 滿(mǎn)載和偏載下的桁架節(jié)點(diǎn)的變形及節(jié)點(diǎn)次彎矩對(duì)桁架的應(yīng)力影響。3.測(cè)點(diǎn)布置1. 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置由于“Floorpro”鋼桁架次梁中的上弦桿埋入到板面混凝土中,因此上弦桿和混凝土組成了一個(gè)復(fù)合構(gòu)件,而整個(gè)結(jié)構(gòu)體系為一組合結(jié)構(gòu)。因此,對(duì)該結(jié)構(gòu)體系的研究應(yīng)著眼于同時(shí)研究混凝土板和鋼桁架在靜力荷載作用下的受力特點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)分析和有限元計(jì)算結(jié)果,通過(guò)浙江大學(xué)土木系和上海歐本鋼桁架工程有限公司之間詳細(xì)的討論,確定混凝土和桁架應(yīng)變測(cè)點(diǎn)如圖1圖2。 圖1 混凝土樓板頂面

5、(底)應(yīng)變片布置圖 2位移測(cè)點(diǎn)布置。由于該鋼桁架的跨度相對(duì)較大,達(dá)到了7.5m,因此結(jié)構(gòu)體系的剛度是否滿(mǎn)足規(guī)范的要求,也需要通過(guò)足尺模型的靜力加載試驗(yàn)進(jìn)行研究。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果和詳細(xì)的討論,確定在兩個(gè)試驗(yàn)狀態(tài)下的位移測(cè)點(diǎn)如圖3圖4。其中圖四為對(duì)偏載情況下的桁架側(cè)向變形進(jìn)行研究,偏載試驗(yàn)中桿件內(nèi)力扭轉(zhuǎn)部分相對(duì)較小,這里主要依靠平面外變形測(cè)試進(jìn)行研究。 圖4桁架側(cè)向位移測(cè)點(diǎn)布置圖(偏載下) 圖3桁架豎向位移測(cè)點(diǎn)布置圖(滿(mǎn)布荷載下)4.加載程序本次靜力加載主要以板面滿(mǎn)布荷載為主要工況,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)在豎向板面荷載作用下的承載力??紤]到該桁架體系相對(duì)的平面外剛度遠(yuǎn)小于平面內(nèi)剛度,雖然有橫向支撐來(lái)限制平面

6、外失穩(wěn),但該措施屬于構(gòu)造措施,是否能夠滿(mǎn)足要求,還需要進(jìn)行偏載試驗(yàn)。靜力加載可通過(guò)混凝土平臺(tái)上堆沙包實(shí)現(xiàn)加載。加載工況中的滿(mǎn)布荷載為在圖5中的四個(gè)區(qū)域全部施加均布荷載。隔跨加載指對(duì)1、3區(qū)域進(jìn)行加載。共分3個(gè)工況,步驟如下:預(yù)載階段: 0 80kg 0工況1 全樓面承受滿(mǎn)布荷載,從零加載至640kg,最后卸除所有荷載。加載和卸載路徑: 0 80kg 240kg 320kg 400kg 560kg 640kg 320kg 0 工況2隔跨承受均布荷載,從零加載至640kg,最后卸除所有荷載加載和卸載路徑: 第三跨上0 160kg 320kg 480kg 640kg 然后在第一跨上 0 320kg

7、640kg先卸除第一跨上荷載 640kg 0最后卸除第一跨上荷載 640kg 320kg 0工況3全樓面承受滿(mǎn)布荷載,從零加載至640kg,最后卸除所有荷載。 加載和卸載路徑: 0 320kg 640kg 840kg 938.667kg 960kg 640kg 320kg 0圖5 樓面各跨劃分示意圖5.測(cè)試結(jié)果與分析5.1工況1根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù),表明整體結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載640kg/m2下,仍然處于彈性階段,次梁上弦鋼筋與混凝土板結(jié)合得很好。下弦桿拉力以及截面彎矩由次梁兩端向中間遞增;而節(jié)點(diǎn)次彎矩以及腹桿軸力由兩端向中間遞減。因此存在著兩種潛在的破壞模式和一種正常使用極限狀態(tài):a中間截面處,下弦

8、桿屈服或上部混凝土壓壞(見(jiàn)5.1.1節(jié));b次梁端部截面處,受壓腹桿在桿端節(jié)點(diǎn)次彎矩以及自身存在的失穩(wěn)因素的共同作用下破壞(見(jiàn)5.1.2節(jié));c整體結(jié)構(gòu)的最大撓度以及側(cè)移過(guò)大,影響正常使用。(見(jiàn)5.1.3節(jié))。 5.1.1桁架上下弦計(jì)算分析 因?yàn)樯舷孪覒?yīng)力和彎矩由兩端向中間遞增,因此在討論上下弦和彎矩時(shí),重點(diǎn)對(duì)跨中截面進(jìn)行計(jì)算分析。文獻(xiàn)1中給出的計(jì)算公式運(yùn)用了一下假設(shè):將次梁作為桁架計(jì)算,外部荷載主要轉(zhuǎn)化為上弦混凝土彎壓共同作用以及下弦拉桿的軸力作用,而忽略了下弦本身的彎矩作用。以下根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)證明上述假設(shè)的正確性: 圖5.1.1 板面混凝土測(cè)點(diǎn)沿次梁方向的應(yīng)變 圖5.1.2板面混

9、凝土測(cè)點(diǎn)垂直次梁方向的應(yīng)變 圖5.1.3 板底混凝土測(cè)點(diǎn)應(yīng)變圖5.1.4 跨中上弦桿測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)變?nèi)鐖D5.1.15.1.4所示,應(yīng)變隨荷載基本呈線性增長(zhǎng),說(shuō)明整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段。圖5.1.3與圖5.1.4中,混凝土底面的拉應(yīng)變與桁架上弦拉應(yīng)變的數(shù)值均較小,且量級(jí)相等,數(shù)值相近,說(shuō)明混凝土底板并沒(méi)有開(kāi)裂,上弦與混凝土處于完全共同作用狀態(tài),相對(duì)滑移很小,幾乎可以忽略。同時(shí),圖5.1.3顯示混凝土板底應(yīng)變數(shù)值為正,說(shuō)明板底處于受拉狀態(tài),中和軸處于混凝土樓板內(nèi)部,拉應(yīng)變很小,說(shuō)明中和軸離板底很近。 圖5.1.5與圖5.1.6中的C5C12以及C16C18的應(yīng)變圖形幾乎一致,說(shuō)明下弦桿遠(yuǎn)離中和軸,且高度

10、較小,基本只受軸向拉力作用,受彎矩很??;同時(shí)也說(shuō)明了次梁中部的次彎矩很小,對(duì)下弦軸力幾乎沒(méi)有影響。 圖5.1.5 跨中節(jié)點(diǎn)測(cè)點(diǎn)下弦桿應(yīng)變圖5.1.6 跨中下弦桿應(yīng)變盡管整體結(jié)構(gòu)處于彈性階段,但根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的混凝土上下表面的應(yīng)變以及上下弦鋼筋應(yīng)變數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果表明,整個(gè)次梁截面并不符合平截面假定,這主要是由于空腹式結(jié)構(gòu)中,腹桿與上下弦桿存在著一定程度地轉(zhuǎn)動(dòng)造成。就混凝土板以及下弦桿來(lái)說(shuō),因其均是實(shí)心構(gòu)件,且均處于彈性階段,厚度較小,可分別采用平截面假定進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算公式如下: 圖5.1.7 根據(jù)應(yīng)變計(jì)算參數(shù)P和M(5.1.11) 荷載為640kg/m2時(shí),板上表面沿次梁方向的壓應(yīng)變平均值為8

11、1.7210-6板下表面沿次梁方向的拉應(yīng)變平均值為23.9810-6下弦桿重心線以上17mm處的沿次梁方向拉應(yīng)變平均值為419.90106下弦桿重心線以下17mm處的沿次梁方向拉應(yīng)變平均值為466.50106根據(jù)公式(5.1.11)計(jì)算得到P和M,并計(jì)算由軸力提供的彎矩 ,由上弦提供的彎矩 ,及由下弦提供的彎矩 和實(shí)際荷載引起的彎矩 , 計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.1.1:表5.1.1P(N)M(Nm)Mtross(Nm)Mcon(Nm)Msteel(Nm)Mreal(Nm)Mtross/MrealMcon/MrealMsteel/Mreal混凝土板938352290.149083.82290.153.7

12、5512589.04%4.15%0.10%下弦拉桿9089653.7根據(jù)以上表中的數(shù)據(jù),說(shuō)明外荷載主要由上下弦的軸力傳遞(Mtross/Mreal高達(dá)89.04),小部分由混凝土樓板本身彎矩承受(Mcon/Mreal 4.15),而下弦桿本身的彎矩極?。∕steel/Mreal 0.10),可以忽略;同時(shí),中和軸處于混凝土內(nèi)部,因此在混凝土板內(nèi)上下應(yīng)力變化明顯,可認(rèn)為受彎矩和壓力的共同作用,而下弦桿遠(yuǎn)離中和軸,且高度較小,可理解為只受軸向拉力作用,忽略其彎矩。由此,文獻(xiàn)1中的假設(shè)成立。既然外荷載主要由上下弦的軸力傳遞,因此,確定混凝土板的有效受壓翼緣寬度bf對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力計(jì)算十分重要。有效翼

13、緣寬度的計(jì)算理論:經(jīng)典的梁彎曲理論是建立在應(yīng)力沿梁的寬度均勻分布這個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)之上的,而對(duì)于以混凝土作為上部寬翼緣的組合次梁,混凝土內(nèi)部的應(yīng)力沿寬度方向并不是均勻分布的。應(yīng)力發(fā)生變化的原因是由于混凝土板面內(nèi)剪應(yīng)變的作用,稱(chēng)為“剪力滯”。為了考慮剪力滯效應(yīng)的影響,我們利用一個(gè)受均布應(yīng)力的“有效翼緣寬度”來(lái)代替實(shí)際的受壓翼緣寬度(見(jiàn)文獻(xiàn)2)。圖5.1.8 有效翼緣寬度的概念 總結(jié):結(jié)構(gòu)在荷載為960kg/m2情況下,基本處于彈性階段,撓度在我國(guó)規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi),且側(cè)移很小,可以忽略。結(jié)構(gòu)的正常工作情況下的允許承載能力Ws取上述兩種設(shè)計(jì)方法的較小值。6.試驗(yàn)總體評(píng)價(jià)該結(jié)構(gòu)的桁架形式為K系列空腹式鋼桁架

14、次梁,上弦與混凝土板連接。試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)荷載640kg/m2下,工作性能優(yōu)異,各項(xiàng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件均處于彈性階段,且應(yīng)力應(yīng)變很小,撓度及側(cè)移也很小,完全符合我國(guó)規(guī)范的各項(xiàng)要求。說(shuō)明該結(jié)構(gòu)受力合理,充分運(yùn)用了材料的性能。偏載作用下沒(méi)有明顯的側(cè)向移動(dòng),說(shuō)明次梁上弦鋼筋與混凝土結(jié)合較好,結(jié)構(gòu)自身具有較好的平面外剛度。結(jié)構(gòu)在承受960kg/m2荷載的情況下,依然沒(méi)有絲毫破壞的跡象,且各項(xiàng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)變也基本處于彈性階段,撓度及側(cè)移較小,滿(mǎn)足規(guī)范要求。按強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)時(shí),960kg/m2的荷載條件略微超過(guò)了結(jié)構(gòu)的正常工作允許的最大荷載,但遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到結(jié)構(gòu)的極限承載能力(安全系數(shù)取1.7);按穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)時(shí),960kg/m2的荷載條件甚至沒(méi)有達(dá)到結(jié)構(gòu)的正常工作允許的最大荷載(安全系數(shù)取1.65)。Floorpro桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特,材料省,自重輕,經(jīng)濟(jì)效益明顯,強(qiáng)度與自重的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)安裝便捷,可以大大地縮短施工周期以及較少勞動(dòng)力消耗。該結(jié)構(gòu)還可以形成一系列的規(guī)格,用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要選擇結(jié)構(gòu)的跨度以及承載能力??崭菇Y(jié)構(gòu)使得管道、電線等較易鋪設(shè)。結(jié)構(gòu)形式隨意性大,應(yīng)用廣泛,可用于各種建筑類(lèi)型,特別適合于商用或民用建筑的屋頂和樓板結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)可與其他形式的防火材料共同組成一個(gè)防火體系,詳

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