科研开发 装配式轻型桁架檩条整体受力性能试验研究及 影响因素分析术 李 慧 （中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安摘７１００４３） 要：提出了有利于快速装配的轻型桁架檩条弦杆和腹杆、檩条和钢梁、支撑系统的连接方式，并通过对两个装 配式轻型桁架檩条结构进行试验研究，重点考察了其受力性能和破坏（失效）模式。结合试验结果，建立了装配式 轻型桁架檩条的数值分析模型，并就高跨比、腹杆截面、檩间支撑进行了参数分析。结果表明：高跨比对檩条初始 刚度影响不大；腹杆两端压平与弦杆的连接方式是影响檩条剪切变形的最主要因素。 关键词：装配式轻型桁架檩条；试验研究；数值分析；受力性能；失效模式。 ＤｏＩ：１０．１３２０６／ｊ．ｇＪｇ２０１８０６００６ ＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＡＬ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ｏＮ ＴＨＥ ｏＶＥＲＡＬＬ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＰｏＲＰＥＲＴＩＥＳ ｏＦ ＰＲＥＦＡＢＲＩＣＡＴＥＤ ＬＩＧＨＴＷＥＩＧＨＴ ＴＲＵＳＳ ＰＵＲＬＩＮ ＡＮＤ ＩＮＦＬＵＥＮＣＥ ＦＡＣＴｏＲ ＡＮＬＡＹＳＩＳ ＬＩ Ｈｕｉ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｆｉｒｓｔ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｔｒｕｓｓ ｐｕｒｌｉｎ ｃｈｏｒｄ ａｎｄ ｗｅｂ ｍｅｍｂｅｒ，ｔｈｅ ｐｕｒｌｉｎ ａｎｄ ｓｔｅｅｌ ｂｅａｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｒａｃｅｓ ｗｅｒｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｔｒｕｓｓ ｐｕｒｌｉｎ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｗｏ ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｔｒｕｓｓ ｐｕｒｌｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ｗｅｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｌｉｇｈｔ ｔｕｓｓ ｐｕｒｌｉｒｎ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ—ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ，ｗｅｂ ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｒｌｉｎ ｂｒａｃｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ—ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ ｂａｄ ｌｉｔｔｌｅ ｅｆｆｅｃｔ Ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｐｕｒｌｉｎ．ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｌａｔｔｅｎ ｍｅｍｂｅｒ ｅｎｄｓ ａｎｄ ｃｈｏｒｄ ｗａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒ ｔｏ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｒｌｉｎ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ：ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｔｕｓｓ ｐｕｒｌｒｉｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ； ｆａｊ】Ｕｒｅ ｍｏｄｅ １ 概 述 檩条应用最为成功的案例当属新利物浦足球俱乐 部…和佛罗里达马林鱼队新球场 。轻型桁架檩 檩条作为钢结构建筑屋面的重要受力构件，当 建筑要求形成大空间时，柱距可能达到１２～１８ ｉｎ， 有时甚至超过２０ １ＴＩ，此时常规的实腹式冷弯薄壁型 钢Ｃ形或ｚ形截面已不能满足设计需要。解决该 问题的方法大多是改用实腹式Ｈ型钢或采用托梁 （架）以减少檩条跨度，但这些做法易使结构体系复 杂、施工难度增加，且往往用钢量偏大，对发展大柱 条的弦杆多采用Ｍ形或Ｑ形冷弯薄壁截面，腹杆常 采用角钢或圆钢管，而弦杆和腹杆多采用焊接连接。 国内针对桁架檩条的相关研究和分析大多结合工程 实践进行，潘泉 ］、唐潮 、陶仲华 、唐鹏 、张锦 松…、吴月梅 等所做的工作较具代表性，普遍认 为桁架檩条有良好的经济性，但设计和施工相比传 统的实腹式檩条复杂，节点处理是关键。ＧＢ 距、大空间钢结构十分不利。桁架檩条由于具有刚 度大、承载力高、施工方便、整体用钢量经济等优势， 正逐步得到推广应用，特别是对如大型物流仓库、体 育场馆、会展中心、铁路旅客站台等大柱距结构体 系，已成为其屋面檩条的首选高效形式。 对桁架檩条的研究和应用，国外比国内起步相 对要早，其中巴特勒、美建、欧本等公司的轻型桁架 檩条最具代表性，应用也较为广泛。国际上对桁架 ２８ ５１０２２－－２０１５《门式刚架轻型房屋钢结构技术规 范》［９ ３也给出了桁架檩条的设计规定，并统一规定 对构件进行强度和稳定验算时，设计强度值乘以折 国家自然基金项目（５１３７８４２８）；中铁一院科研项目（院 科１２—３０）。 作者：李慧，男，１９８２年出生，工学硕士，高级工程师。 Ｅｍａｉｌ：３１６３６９０９４＠ｑｑ．ＣＯＢ 收稿日期：２０１８—０３—０７ 铜结构 ２０１８年第６期第３３卷总第２３４期 李 慧：装配式轻型桁架檩条整体受力性能试验研究及影响因素分析 减系数０．９，以考虑节点偏心的影响。 本文所提出的装配式轻型桁架檩条是在欧本 桁架¨。。的基础上加以改进的，通过对其整体受力 性能进行试验研究和影响因素分析，了解装配式 轻型桁架檩条在竖向荷载作用下的工作机理和破 坏（失效）模式，从而为提出针对弦杆和腹杆、檩条 和钢梁、支撑系统的装配连接方式和相应的构造 图３腹杆与上、下弦杆连接 措施提供参考，真正实现轻型桁架檩条的快速装 配，有利于促进大柱距、大空间钢结构建筑的快速 发展。 ２试验概况 ２．１ 试件设计 对两个由两榀桁架檩条组成的跨度为６ ｍ的装 配式轻型桁架檩条结构进行足尺模型试验，分别设 图４上、下弦杆卜ｊ钢梁连接 ＭＩ２高强螺栓 １道和２道檩间支撑，试件编号分别为ｗＴＰ１和 ＷＴＰ２，单榀桁架檩条的尺寸如图ｌ所示。试件采用 Ｑ２３５Ｂ钢材，其上、下弦杆为Ｍ形截面冷弯薄壁型 钢，截面尺寸如图２所示，厚度为３ ｍｍ，腹杆由空心 电焊圆管制作而成，除端腹杆截面为＋３２×１．５外， 其余腹杆均采用＋２５×１．５。为避免冷弯薄壁构件 之间的焊接，实现装配化，腹杆圆管两端通过压平与 上、下弦杆采用Ｍ１２高强度螺栓连接，如图３所示， 图５檩间交叉支撑设置 而檩条上弦通过Ｍ１６高强度螺栓与主钢梁上翼缘 连接、下弦通过Ｍ１２高强度螺栓与主钢梁腹板连 接，如图４所示。檩间支撑采用上、下弦交叉支撑 １ ｌ （截面为Ｌ４５×３）的方式（图５），设置在桁架檩条跨 中（ＷＴＰＩ）或三分点处（ＷＴＰ２）。 ｌ＿ …ｚ ＩＩ Ｉ … ＿ 凿 善 ＿ 一／＼／＼／＼／＼／＼／＼／＼ｌ ● Ｆ ＝ ３４Ａ４ｌ＿—ＴＴ——————————————————————————— １ １ Ｉ １ ＿ —６ ０００ ＝ 科 １３００Ａ２７．５ ５０５￣９－￣１ ５４５４，２７．５ ３００ 图１ 单榀桁架檩条尺寸 广广 — 一Ｉ＿ —— ｂ 图２上、下弦杆截面尺寸 ａ一试验加载装置Ｉｂ一侧向滚轮约束装置。 ２．２试验装置及测点布置 Ｉ一门架；２一门架横梁；３一一级分配梁； 采用六分点两级分配梁加载方式模拟檩条上的 竖向均布荷载作用，试验加载装置如图６ａ所示。为 ４一千斤顶；５一二级分配梁；６一圆孔；７一横向横架。 图６试验装置 ２９ 科研开发 模拟桁架檩条的实际工作状态，檩条的上、下弦杆与 主钢梁可靠连接，主钢梁通过８个固定装置固定在 加载门架立柱上。为保证桁架檩条不会发生整体侧 倾，在檩问支撑处设置侧向滚轮约束装置（图６ｂ）来 限制檩条的平面外位移。 试件由两榀桁架檩条组成．为控制测点数量，分 主檩条和副檩条布置，具体如 ７所示。位移汁 程为２００ Ｈ１ｍ，百分表情程为５０ Ｉ｜１［１ｌ 位移计７（侧向，ＷＴＰ２）位移计４（侧向，ＷＴＰ１） 位移计６（侧向，ｗ＇ｒＰ２）位移计５（侧向，ＷＴＰ１）位移计８（侧向，ＷＴＶ２）坌塞 詈 ｌ 曼＝ 兰 ！ 里 耋 ｒ． 、 百 Ｚ Ｚ 产 ③ 图７试验测点布置 Ｏ ａ一主檩条测点布置；ｂ一副檩条测点布置；ｃ一杆件截面应变片布置 线均旱线性发展，处于弹性阶段，随着简载的增大， ３ 试验现象 试件ＷＴＰ１和ＷＴＰ２的荷载一位移（Ｐ一△）曲 线如图８所示。在加载初期，两个试件的Ｐ一△ｆ｝｝１ 两个试件的面内刚度许无明显下降 试什Ｗ ＦＰＩ 接近其极限承载力时，桁架檩条ｌ 弦仃｝｝Ｊ删较大的 面外变形（图９ａ），表现｝ｆｊ受压 弦朴平面外火稳的 ７Ｏ ６０ ５０ ｚ ４０ 寒３０ ２０ ｌＯ 翻翻 圈 Ｃ １ ｂ ｒ｛： Ｔ｝】Ｉ ｆ 幺Ｉｆｌ『外 Ｊ『；；【１ ｃ一¨＼、ｒＩ’２｛是Ｉｔｈ娈 连接１ 点处幢什 ９ ｉ．爨酞腧州纽 ３０ 钢结构 ２０１８年第６期第３３卷总第２３４期 李 慧：装配式轻型桁架檩条整体受力性能试验研究及影响因素分析 破坏（失效）模式；试件ＷＴＰ２当达到其极限承载力 时，Ｐ—Ａ曲线出现明显的水平段，檩条上、下弦杆 跨中截面大部分已进入塑性，承载力不再增加，挠曲 变形较大（图９ｈ），表现出强度破坏的特征 、试件 ＷＴＰ２相比ＷＴＰＩ由于仅增设了檩间支撑，二者的 仞始川度接近，但由于破坏（失效）模式不同，极限 承载力提高ｒ约２７％。 存整个试验过程中，可以清楚地发现腹杆和弦 杆通过高强度螺拴连接的方式属于半刚性连接，连 接节点处腹杆批起明显（图９ｃ），但节点并未发生损 坏。较高的连接＿ｉ了点强度，以及足够的节点变形能 力，部有利于结构整体受力性能的发挥 ４数值模型构建 ４．１ 模型基本信息 ａ数值模型及衙载施加：Ｉ，一Ｗ ＦＰ１的¨ 平回外失稳变形。 图１０ 数值模型及计箅结果 装配式轻型桁架檩条结构由Ｍ彤截面弦杆、腹 杆、凛问支撑及连接片组成。采用大型有限元软件 同的破坏特征，数值模型ＷＴＰ１的上弦平面外失稳 变形如 ｌ０ｂ所示，均表明本文所建立的数值模型 ＡＢＡＱＵＳ建立数值模型，其中，Ｍ形弦杆采用线性减 缩积分壳单元Ｓ４Ｒ模拟，腹杆采用两节点空问线性 梁单元Ｂ３１模拟。为简化分析，仅建立单榀桁架檩 能较好地模拟装配式轻型桁架檩条的整体受力 性能。 条数值模型，并将檩问支撑作为桁架檩条的侧向可 靠支承点，同时忽略了腹杆与上、下弦杆连接节点的 半冈４性性能影响。 试验用材为Ｑ２３５Ｂ，根据材性试验获得相应的 材性数据如表１所示，并采用多线性强化模型和 ｙｏｎ Ｍｉｓｅｓ屈服准 ０来模拟钢材的本构关系。 表１ 钢材材性试验结果平均值 根据桁架檩条上、下弦杆与主钢梁的连接方式， 数值模型中将弦杆端部设置为铰接，并将荷载以面 荷载的形式均匀施加在桁架檩条上弦杆的上翼缘表 面处，如图ｌ０ａ所爪。此外，在进行非线性屈曲分析 前，通过特征值属曲分析将 阶屈曲模态作为结构 试件ＷＴＰ１；ｂ一试件Ｗ ＦＰ２ 一有限元；一一试验。 数值模拟分析与试验结果对比 的初始缺陷，将Ｌ／ｌ ０００（ 为檩条跨度）引入到数值 ５影响因素分析 分析模型巾，同时忽略残余应力和弯角硬化的影响。 ４．２数值模型验证 在下述影响因素分析中，钢材采用三折线型弹 塑性本构模型如图１２所示，弹性模量 统一取 ２．０６ Ｘ １０ ＭＰａ，强化段的斜率Ｅ 取为弹性模量的 ２％，钢材的屈服强度 取２３５ ＭＰａ，极限抗拉强度 ．数值模型分析与试验结果的对比如图１ ｌ所示， 极限承载力及相应的挠曲位移二者误差在４－６％以 内，可见数值模拟与试验吻合较好，且二者表现出相 取３７５ ＭＰａ。 ３１ 科研开发 檩间支撑），取檩条高度为３００～５００ ｍｍ（高跨比 —一 ／ 为１／２０～１／ｌ２）进行分析，且为保证腹杆不先于弦 杆破坏，采用长细比相近的原则对腹杆截面进行 收 ／；／ｉ ／ ‘／ｌ ／ ／ Ｉ Ｉ 调整，计算结果如表２所示。可以看出，剪切变形 对低高跨比的桁架檩条已产生显著影响，高跨比 应变 ／ Ｉ （截面惯性矩）对桁架檩条的初始刚度影响不大； 图１２ 三折线型弹塑性本构模型 桁架檩条上弦杆作为压弯构件，其节间弯矩和构 件压力对其稳定性均有较大影响，设计时，节问弯 矩不应忽略。 ５．１ 高跨比的影响 针对６ ｍ跨度的装配式轻型桁架檩条（设２道 表２高跨比影响的计算结果 ５．２腹杆截面的影响 支撑数量越多，越有利于檩条弦杆发展塑性，延缓其 发生平面外失稳的趋势。 表４檩间支撑影响的计算结果 针对６ ｍ跨度的装配式轻型桁架檩条（设２道 檩间支撑，檩条高度３００ ｍｍ），取腹杆截面直径分别 为ｌ５～３２ ｍｍ（厚度均为１．５ ｍｍ）进行分析，计算结 果如表３所示。可以看出，腹杆截面大小对桁架檩 条的初始刚度几乎无影响，可知桁架檩条的剪切变 形主要取决于腹杆圆管两端压平与弦杆连接的方 羹 蕈邕 ＫＩ ＰｌｋＮ ６ 结 论 式；当腹杆截面较小时，桁架檩条的破坏（失效）模 式是腹杆，特别是端区腹杆的失稳，但当腹杆截面较 大时，决定桁架檩条承载力的关键构件将从腹杆转 移到上弦杆，此时腹杆截面不起控制作用。 表３ 腹杆截面影响的计算结果 １）通过对两个跨度为６ ｍ的装配式轻型桁架 檩条结构进行试验研究，重点考察了其受力性能和 破坏（失效）模式。两个试件南于檩间支撑设置不 同，分别表现出受压上弦杆平面外失稳（ＷＴＰＩ）以 及强度破坏（ＷＴＰ２）的失效模式。 ２）结合试验结果，建立了装配式轻型桁架檩条 的数值分析模型，并就高跨比、腹杆截面、檩间支撑 进行了参数分析。结果表明：由于剪切变形的影响， ５．３ 檩间支撑的影响 高跨比对桁架檩条的初始刚度影响不大，但能适当 提高桁架檩条的承载力；腹杆圆管两端压平与弦杆 连接的方式是桁架檩条发生剪切变形的最主要因 素，当腹杆截面较小时，桁架檩条的破坏（失效）模 式为端区腹杆的失稳；檩间支撑数量对桁架檩条初 始刚度无影响，但却决定了桁架檩条的承载力和破 坏（失效）模式。 针对６ ｍ跨度的装配式轻型桁架檩条，檩条高 度３００ ｍｍ，腹杆截面取＋２５×１．５，取檩间支撑分别 为１～３道进行分析，计算结果如表４所示。可以看 出，檩间支撑数量对桁架檩条初始刚度无影响，但决 定了桁架檩条的承载力和破坏（失效）模式，当支撑 数量较多时，端区腹杆会先于受压上弦杆丧失稳定 性，此时更多的支撑对檩条抗弯承载力已无贡献；但 ３２ （下转第３８页） 钢结构 ２０１８年第６期第３３卷总第２３４期 科研开发 ｛（上接第３２页） 参考文献 ［１］ ＢＯＹＬＥ Ｍ，ＭＩＬＬＳ Ｓ，ＣＯＬＥ Ｎ．Ｄｅｓｉｇｎ Ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｌｉｖｅｒ— 构。２０１４，２９（７）：１５—１８． ］ 兰＿） 唐鹏，田小川，陈明．欧本桁架檩条在重型吊车钢构厂房屋 ｐｏｏｌ Ｆｏｏｔｂａｌｌ Ｃｌｕｂ Ｓｔａｄｉｕｍ Ｒｏｏｆ［Ｃ］／／Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ．Ｒｅ ｓｔｏｎ：２０１４． 面的应用［Ｊ］．建筑结构，２００９（增刊）：４４６—４４７． 张锦松，叶修喜，胡继刚，等．１２ｍ柱距屋面檩条的设计与应 ［２］ ＢＬＵＭＥＮＢＡＵＭ Ｓ，ＷＨＩＴＥ Ａ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅ Ｒｏｏｆ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｌｏｒｉｄａ Ｍａｒｌｉｎｓ’Ｎｅｗ Ｂａｌｌｐａｒｋ［Ｃ］／／Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ．Ｒｅ－ ｓｔｏｎ：２０ｌ１， 用［Ｊ］．工程建设与设计，２０１１（６）：６５—６７． 吴月梅．大柱距屋面檩条的设计［Ｊ］．工程建设与设计，２０１５ （７）：２８—２９，３３． ［３］潘泉．桁架檩条结构系统的设计分析［Ｊ］．钢结构，２００８，２３ （６）：４２—４４． 中华人民共和国住房和城乡建设部．门式刚架轻型房屋钢结 构技术规范：ＧＢ ５１０２２－－２０１５［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版 社，２０１５． ［４］ 唐潮，唐华英．桁架式檩条在钢结构厂房中的应用［Ｊ］．钢结 构，２００９，２４（７）：５０—５２． 上海欧本钢结构桁架工程公司．欧本钢桁架技术手册［Ｍ］． 北京：中国建筑工业出版社，２００６． ［５］ 陶仲华．长柱距钢结构建筑檩条选用的优化方法［Ｊ］．钢结 · · ２０１８年６月３日，中国钢结构协会七届五次常务理事会会议在江苏宜兴召开。会议由中国钢结构协会主办，江苏沪宁钢 机股份有限公司承办。中国钢结构协会会长、中国工程院院士岳清瑞出席会议，１３０余位常务理事及代表参加会议。 会上，中国钢结构协会秘书长侯兆新代表协会作２０１８年上半年工作报告，从９个方面对协会的半年工作进行了梳理，并 对协会下半年的重点工作提出了计划。 会议代表分别听取了《关于分支机构会员统一备案管理的议案》《关于协会闲置资金短期投资议案》《关于”成立核电钢 结构分会”的议案》和《关于协会章程和管理办法制修订的说明》等汇报。与会代表对相关议案和汇报踊跃发言并热烈讨论， 提出了很多建设性意见和建议。中国钢结构协会会长、中国工程院院士岳清瑞总结时指出，中国钢结构协会按照党中央和国 务院要求进行规范化、制度化管理，协会在新时代必须有新作为，继续推动中国钢结构行业更好更高质量发展。 与会代表还认真聆听了沪宁钢机洪毅作的主题报告《工业互联、数字钢构——沪宁钢机工业大数据创新与实践》，协会副 会长李国强作的主题报告《高性能结构钢与高性能钢结构》，环境保护部核与辐射安全中心厂址与土建部主任潘蓉作的主题 报告《核电行业及核电钢结构现状与发展趋势》，国际工程物流专家薛峰作的主题报告《提高钢构出口通关申报质量，助力钢 构企业降本增效，转型升级》，代表们对会议成果表示满意。 ３８ 钢结构２０１８年第６期第３３卷总第２３４期