基于临时支撑结构的杆件初弯曲对其轴压性能的影响

尹 飞， 王化杰， 钱宏亮， 常德赐， 张 凯

(哈尔滨工业大学(威海)土木工程系，山东威海 264209)

对于实际工程中细长杆件几乎都存在较大的初始弯曲，而杆件初弯曲对于轴压承载力影响较大。GB 50017-2003《钢结构设计规范》中轴压稳定系数φ考虑1/1000杆长的初弯曲，最新GB 50017-2017《钢结构设计标准》中建议根据结构体系特点确定整体缺陷值，目前对于初始缺陷的研究大多是针对圆管杆件，如JGJ 7-2010《空间网格结构技术规程》规定网壳缺陷最大计算值可按网壳跨度的1/300考虑。通过对超厚底板临时支撑杆件调研统计发现，各种杆件初弯曲幅值都大概率超过1/1000，研究初始弯曲对杆件受力性能的影响很有必要[1]。

对于轴压圆管杆件来说，杆件初弯曲方向决定了杆件的弯曲变形方向。而型钢杆件弯曲方向往往与杆件初弯曲方向不同，其轴压稳定承载力也有较大差别，因此应对初弯曲方向对型钢杆件稳定承载力的影响展开深入研究。

本文结合具体工程项目，对超厚底板临时支撑的杆件初弯曲进行了调研统计分析，给出了一套型钢杆件初弯曲的测量统计方法，得到了一定保证率下的临时支撑杆件初弯曲取值。并对初弯曲形态、初弯曲方向、初弯曲幅值对轴压槽钢杆件稳定承载力的影响展开了研究，为类似型钢杆件初始弯曲的调研和设计取值提供了参考。

1 杆件初始弯曲的测量及统计

首先应根据杆件的几何特征在两个正交方向划分相应的测线，并在测线上等间距选取测点。将试件通过方钢支座放在大理石平台上方，在平台相应测点位置用记号笔标注，试件纵轴与平台纵轴平行放置，试件两端高差控制在2 mm以内。利用激光位移计对测点进行测量，初始弯曲测量装置如图1所示。

图1 初始弯曲测量装置

通过取平均值等数据处理方法，并剔除杆件自重及支座约束的影响后，近似求出轴线初弯曲曲线。最后通过初弯曲幅值的概率分布曲线给出一定保证概率下的杆件初弯曲取值。

本文针对两种超厚底板临时支撑的杆件初弯曲进行了调研，分别为“重庆中迪广场”项目的圆管杆件和金边富力华府项目的槽钢杆件，其中圆管杆件长度为3.3 m，截面规格为φ84×3 mm；槽钢杆件长度为2.5 m，槽钢截面腰厚3 mm，高80 mm，宽43 mm，翼缘板厚8 mm。槽钢杆件初弯曲曲线图和杆件初弯曲取值分别如图2和表1所示。

图2 槽钢杆件Y向(弱轴)初弯曲曲线

由图2和表1可以看出，实测调研的临时支撑杆件初始弯曲要大于规范所考虑的杆件初弯曲。

2 初始弯曲对杆件轴压性能的影响

2.1 初始弯曲波形对槽钢杆件稳定承载力的影响

调研得到的槽钢杆件初弯曲大部分近似为半波正弦的C型曲线，个别杆件初弯曲形态为S型。本文通过改变杆件节点坐标的方法，对槽钢杆件分别添加C型曲线和S型曲线形态的正方向实测初弯曲，利用Ansys软件对杆件铰接轴压承载力进行了研究，如图3所示为槽钢杆件MISES应力云图。

表1 杆件初弯曲取值

图3 不同波形槽钢杆件MISES应力云图

由图3可以看出，两种杆件弯曲方向均沿弱轴，强轴弯曲变形不大，两种初始弯曲波形的槽钢杆件的稳定承载力分别为50.7 kN和59.9 kN，C型初弯曲曲线更为不利，而S型初弯曲曲线反而使得杆件稳定承载力得以提高，后续研究添加杆件初弯曲波形均为C型。不同半波数下杆件稳定承载力如表2所示。

表2 杆件稳定承载力 kN

2.2 初始弯曲方向对槽钢杆件受力性能的影响

规定0 °为X方向，90 °为Y方向，槽钢方向如图4所示。参考调研得到杆件初弯曲幅值区间，分别添加1 ‰和3 ‰的杆件初始弯曲，改变初弯曲施加方向，杆件稳定承载力极值如表2所示。

图4 槽钢杆件方向示意

表3 稳定承载力最值 kN

由表3可以看出，初弯曲方向对槽钢杆件稳定承载力有较大影响，Y轴负向初弯曲对槽钢杆件承载力影响最大。

研究表明无论添加任何方向杆件初始弯曲，槽钢杆件最终受压破坏时均沿弱轴方向发生弯曲，角度偏差在3 °以内。稳定承载力随初弯曲方向的变化曲线如图5所示。

图5 稳定承载力随初弯曲方向的变化曲线

由图5可以看出，Y轴正向(开口方向)和Y轴负向添加相同初始弯曲后，稳定承载力并不相同。将杆件稳定承载力随初弯曲方位角的变化曲线进行分段拟合，拟合公式如表4所示。

表4 拟合公式

由表4可以看出，拟合公式相关系数较高，槽钢杆件稳定承载力随初弯曲方位角的变化曲线是抛物线。

2.3 初始弯曲幅值对杆件稳定承载力的影响

考虑到初弯曲幅值小于1/1000或大于1/100均不具有实际研究意义，对圆管杆件分别添加0.2 ‰(模拟理想杆)、1 ‰、3 ‰、5 ‰、6.2 ‰(实测初弯曲)和10 ‰的杆件初弯曲，荷载位移曲线和稳定承载力分别如图6和图7所示。

图6 圆管杆件的荷载位移曲线

图7 圆管杆件稳定承载力

对于添加1 ‰初弯曲的圆管杆件，采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》中轴心受力构件计算方法N=fφA，算得承载力为94.8 kN，略小于Ansys分析结果97.8 kN，误差在3 %以内。

对槽钢杆件分别添加0.1 ‰(模拟理想杆)、1 ‰、2.81 ‰(实测弱轴初弯曲)、5 ‰和10 ‰的Y轴负向的杆件初弯曲，槽钢杆件的荷载位移曲线和稳定承载力分别如图8和图9所示。

图8 槽钢杆件的荷载位移曲线

由图6～图9可以看出，初始弯曲幅值对杆件稳定承载力影响较大，槽钢杆件稳定承载力随初弯曲幅值变化近似指数衰减，添加1 ‰初弯曲和实测初弯曲承载力下降幅度如表5所示。

表5 杆件稳定承载力下降幅度 %

图9 槽钢杆件稳定承载力

由表5可以看出，对于超厚底板临时支撑结构中杆件应考虑更大的杆件初始弯曲。对于其他类似工程，应针对具体工程项目应进行充分调研，根据结构体系特点确定整体缺陷值。

3 结论

(1)对超厚底板临时支撑杆件初弯曲的调研统计发现，相比规范所考虑的杆件初弯曲，实测调研的临时支撑杆件初弯曲幅值更大。

(2)C型半波正弦初始弯曲对临时支撑杆件稳定承载力更为不利；杆件稳定承载力随初弯曲幅值变化明显，近似成指数衰减。

(3)对于槽钢杆件，槽钢杆件稳定承载力随初弯曲方向的变化明显，变化曲线近似为两段抛物线，杆件沿弱轴发生弯曲变形，角度偏差在3 °以内。