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1、Floorpro桁架结构静力荷载试验报告 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望1.前言前言欧本楼层“Floorpro”钢桁架次梁专为现浇楼层体系设计，与钢构、混凝土甚至砌块组成的框架系统都可以进行完美的连接。钢桁架次梁的上弦伸入混凝土中，与混凝土楼板共同作用，而下弦则可用作吊顶或设备的支承件。由于桁架与混凝土的组合设计，使得整体结构的用钢量大大地降低，而结构所能承受的最大荷载却得到了增加。“Floorpro”钢桁架次梁在国外已经大量使用，而在我国却处于起
2、步阶段。为了进一步了解Floorpro钢桁架的承载力及受力性能，并结合我国国情将这一经济合理的结构形式在国内进行推广应用，上海欧本钢桁架工程有限公司特委托浙江大学土木系，进行足尺模型的静力加载试验。结构静力加载试验结合国内现有的规范和原材料及上海欧本钢桁架工程有限公司的制作工艺，拟对钢桁架变形、杆件受力特点及承载力进行现场足尺模型的试验，以验证Floorpro桁架的设计承载力及其变形是否满足规范要求，并对其受力特性进行研究。2.试验目的和内容试验目的和内容通过静力加载试验，对Floorpro桁架的结构性能进行评定。结构性能检验的项目有：弹、塑性阶段承载力和挠度。Floorpro桁架3根，跨度7
3、.5米，间距1.25米，上浇80mm厚C40混凝土，内配7200单层双向钢筋。通过对其进行静力加载试验，对其整体变形、杆件局部变形、挠度、转角、及承载力实测；挠度允许值取1/400跨度，可得挠度允许值18.75mm测试的具体实施方法和过程依据以下有关规范及文件：1混凝土结构设计规范（GB 500102002）；2建筑结构荷载规范 （GB 500092001）；3钢结构设计规范 （GB 500172003）；4 甲方提供的设计图以及有关的理论计算数据。本次静力加载主要以板面满布荷载为主要工况，以验证结构在竖向板面荷载作用下的承载力。考虑到该桁架体系相对的平面外刚度远小于平面内刚度，虽然有横向支撑
4、来限制平面外失稳，但该措施属于构造措施，是否能够满足要求，还需要进行偏载试验。因此根据实际结构形式、施工过程以及相关的规范要求，结合甲方的意见，本次试验主要选取中间一榀钢桁架次梁为测试对象。桁架试验测试的内容主要是以下项目：1满载和偏载下的桁架整体变形。2满载和偏载下的桁架的承载力。3满载和偏载下的桁架主要杆件的内力。4满载和偏载下的桁架节点的变形及节点次弯矩对桁架的应力影响。3.测点布置测点布置1.应变测点布置由于“Floorpro”钢桁架次梁中的上弦杆埋入到板面混凝土中，因此上弦杆和混凝土组成了一个复合构件，而整个结构体系为一组合结构。因此，对该结构体系的研究应着眼于同时研究混凝土板和钢桁
5、架在静力荷载作用下的受力特点。根据结构受力特点分析和有限元计算结果，通过浙江大学土木系和上海欧本钢桁架工程有限公司之间详细的讨论，确定混凝土和桁架应变测点如图1图2。图1混凝土楼板顶面（底）应变片布置图2位移测点布置。位移测点布置。由于该钢桁架的跨度相对较大，达到了7.5m，因此结构体系的刚度是否满足规范的要求，也需要通过足尺模型的静力加载试验进行研究。根据有限元计算结果和详细的讨论，确定在两个试验状态下的位移测点如图3图4。其中图四为对偏载情况下的桁架侧向变形进行研究，偏载试验中杆件内力扭转部分相对较小，这里主要依靠平面外变形测试进行研究。图4桁架侧向位移测点布置图（偏载下）图3桁架竖向位移
6、测点布置图（满布荷载下）4.加载程序加载程序本次静力加载主要以板面满布荷载为主要工况，以验证结构在竖向板面荷载作用下的承载力。考虑到该桁架体系相对的平面外刚度远小于平面内刚度，虽然有横向支撑来限制平面外失稳，但该措施属于构造措施，是否能够满足要求，还需要进行偏载试验。静力加载可通过混凝土平台上堆沙包实现加载。加载工况中的满布荷载为在图5中的四个区域全部施加均布荷载。隔跨加载指对1、3区域进行加载。共分3个工况，步骤如下：预载阶段:080kg0工况1全楼面承受满布荷载，从零加载至640kg，最后卸除所有荷载。加载和卸载路径:080kg240kg320kg400kg560kg640kg320kg0
7、工况2隔跨承受均布荷载，从零加载至640kg，最后卸除所有荷载加载和卸载路径:第三跨上0160kg320kg480kg640kg然后在第一跨上0320kg640kg先卸除第一跨上荷载640kg0最后卸除第一跨上荷载640kg320kg0工况3全楼面承受满布荷载，从零加载至640kg，最后卸除所有荷载。加载和卸载路径:0320kg640kg840kg938.667kg960kg640kg320kg0图5楼面各跨划分示意图5.测试结果与分析测试结果与分析5.1工况1根据试验测得的数据，表明整体结构在标准荷载640kg/m2下，仍然处于弹性阶段，次梁上弦钢筋与混凝土板结合得很好。下弦杆拉力以及截面弯
8、矩由次梁两端向中间递增；而节点次弯矩以及腹杆轴力由两端向中间递减。因此存在着两种潜在的破坏模式和一种正常使用极限状态：a中间截面处，下弦杆屈服或上部混凝土压坏（见5.1.1节）；b次梁端部截面处，受压腹杆在杆端节点次弯矩以及自身存在的失稳因素的共同作用下破坏（见5.1.2节）；c整体结构的最大挠度以及侧移过大，影响正常使用。（见5.1.3节）。5.1.1桁架上下弦计算分析桁架上下弦计算分析因为上下弦应力和弯矩由两端向中间递增，因此在讨论上下弦和弯矩时，重点对跨中截面进行计算分析。文献1中给出的计算公式运用了一下假设：将次梁作为桁架计算，外部荷载主要转化为上弦混凝土弯压共同作用以及下弦拉杆的轴力
9、作用，而忽略了下弦本身的弯矩作用。以下根据试验测得的应变数据来证明上述假设的正确性：图5.1.1板面混凝土测点沿次梁方向的应变图5.1.2板面混凝土测点垂直次梁方向的应变图5.1.3板底混凝土测点应变图5.1.4跨中上弦杆测点钢筋应变如图5.1.15.1.4所示，应变随荷载基本呈线性增长，说明整体结构处于弹性阶段。图5.1.3与图5.1.4中，混凝土底面的拉应变与桁架上弦拉应变的数值均较小，且量级相等，数值相近，说明混凝土底板并没有开裂，上弦与混凝土处于完全共同作用状态，相对滑移很小，几乎可以忽略。同时，图5.1.3显示混凝土板底应变数值为正，说明板底处于受拉状态，中和轴处于混凝土楼板内部，拉
10、应变很小，说明中和轴离板底很近。图5.1.5与图5.1.6中的C5C12以及C16C18的应变图形几乎一致，说明下弦杆远离中和轴，且高度较小，基本只受轴向拉力作用，受弯矩很小；同时也说明了次梁中部的次弯矩很小，对下弦轴力几乎没有影响。图5.1.5跨中节点测点下弦杆应变图5.1.6跨中下弦杆应变尽管整体结构处于弹性阶段，但根据试验测得的混凝土上下表面的应变以及上下弦钢筋应变数值计算得到的结果表明，整个次梁截面并不符合平截面假定，这主要是由于空腹式结构中，腹杆与上下弦杆存在着一定程度地转动造成。就混凝土板以及下弦杆来说，因其均是实心构件，且均处于弹性阶段，厚度较小，可分别采用平截面假定进行计算，计
11、算公式如下：图5.1.7根据应变计算参数P和M（5.1.11）荷载为640kg/m2时，板上表面沿次梁方向的压应变平均值为81.7210-6板下表面沿次梁方向的拉应变平均值为23.9810-6下弦杆重心线以上17mm处的沿次梁方向拉应变平均值为419.90106下弦杆重心线以下17mm处的沿次梁方向拉应变平均值为466.50106根据公式（5.1.11）计算得到P和M，并计算由轴力提供的弯矩，由上弦提供的弯矩，及由下弦提供的弯矩和实际荷载引起的弯矩，计算结果见表5.1.1：表5.1.1P(N)M(Nm)Mtross(Nm)Mcon(Nm)Msteel(Nm)Mreal(Nm)Mtross/Mr
12、ealMcon/MrealMsteel/Mreal混凝土板938352290.149083.82290.153.75512589.04%4.15%0.10%下弦拉杆9089653.7根据以上表中的数据，说明外荷载主要由上下弦的轴力传递（Mtross/Mreal高达89.04），小部分由混凝土楼板本身弯矩承 受（Mcon/Mreal 4.15），而 下 弦 杆 本 身 的 弯 矩 极 小（Msteel/Mreal0.10），可以忽略；同时，中和轴处于混凝土内部，因此在混凝土板内上下应力变化明显，可认为受弯矩和压力的共同作用，而下弦杆远离中和轴，且高度较小，可理解为只受轴向拉力作用，忽略其弯矩。由
13、此，文献1中的假设成立。既然外荷载主要由上下弦的轴力传递，因此，确定混凝土板的有效受压翼缘宽度bf对结构的承载能力计算十分重要。有效翼缘宽度的计算理论：经典的梁弯曲理论是建立在应力沿梁的宽度均匀分布这个假设基础之上的，而对于以混凝土作为上部宽翼缘的组合次梁，混凝土内部的应力沿宽度方向并不是均匀分布的。应力发生变化的原因是由于混凝土板面内剪应变的作用，称为“剪力滞”。为了考虑剪力滞效应的影响，我们利用一个受均布应力的“有效翼缘宽度”来代替实际的受压翼缘宽度（见文献2）。图5.1.8有效翼缘宽度的概念总结：总结：结构在荷载为960kg/m2情况下，基本处于弹性阶段，挠度在我国规范规定的范围内，且侧
14、移很小，可以忽略。结构的正常工作情况下的允许承载能力Ws取上述两种设计方法的较小值。6.试验总体评价试验总体评价该结构的桁架形式为K系列空腹式钢桁架次梁，上弦与混凝土板连接。试验中，结构在标准荷载640kg/m2下，工作性能优异，各项结构构件均处于弹性阶段，且应力应变很小，挠度及侧移也很小，完全符合我国规范的各项要求。说明该结构受力合理，充分运用了材料的性能。偏载作用下没有明显的侧向移动，说明次梁上弦钢筋与混凝土结合较好，结构自身具有较好的平面外刚度。结构在承受960kg/m2荷载的情况下，依然没有丝毫破坏的迹象，且各项结构构件的应变也基本处于弹性阶段，挠度及侧移较小，满足规范要求。按强度理论
15、设计时，960kg/m2的荷载条件略微超过了结构的正常工作允许的最大荷载，但远没有达到结构的极限承载能力（安全系数取1.7）；按稳定理论设计时，960kg/m2的荷载条件甚至没有达到结构的正常工作允许的最大荷载（安全系数取1.65）。Floorpro桁架结构的优点主要表现在：结构新颖独特，材料省，自重轻，经济效益明显，强度与自重的比值远远高于其他结构形式。结构安装便捷，可以大大地缩短施工周期以及较少劳动力消耗。该结构还可以形成一系列的规格，用户可以根据自己的需要选择结构的跨度以及承载能力。空腹结构使得管道、电线等较易铺设。结构形式随意性大，应用广泛，可用于各种建筑类型，特别适合于商用或民用建筑的屋顶和楼板结构。结构可与其他形式的防火材料共同组成一个防火体系，详细资料可参见美国钢托梁协会出版的钢托梁规范（文献6）。参考文献参考文献1DESIGNPROCEDURE2effectiveflangewidthprovisionsforcompositesteelbridges3钢筋混凝土设计规范GBJ10894strengthanddesignofopenwebsteeljoistswithcrimped-endwebmembers5钢结构设计规范规范GBJ17886美国SJI标准附件附件