1、Floorpro桁架結構靜力荷載試驗報告1.前言歐本樓層“Floorpro”鋼桁架次梁專為現澆樓層體系設計，與鋼構、混凝土甚至砌塊組成的框架系統都可以進行完美的連接。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備的支承件。由于桁架與混凝土的組合設計，使得整體結構的用鋼量大大地降低，而結構所能承受的最大荷載卻得到了增加?！癋loorpro”鋼桁架次梁在國外已經大量使用，而在我國卻處于起步階段。為了進一步了解Floorpro鋼桁架的承載力及受力性能，并結合我國國情將這一經濟合理的結構形式在國內進行推廣應用，上海歐本鋼桁架工程有限公司特委托浙江大學土木系，進行足尺模型的

2、靜力加載試驗。結構靜力加載試驗結合國內現有的規(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，擬對鋼桁架變形、桿件受力特點及承載力進行現場足尺模型的試驗，以驗證Floorpro桁架的設計承載力及其變形是否滿足規(guī)范要求，并對其受力特性進行研究。2.試驗目的和內容通過靜力加載試驗，對Floorpro桁架的結構性能進行評定。結構性能檢驗的項目有：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，內配7200單層雙向鋼筋。 通過對其進行靜力加載試驗，對其整體變形、桿件局部變形、撓度、轉角、及承載力實測；撓度允許值取1/400跨度，可得撓度允

3、許值18.75mm 測試的具體實施方法和過程依據以下有關規(guī)范及文件：1混凝土結構設計規(guī)范 （GB 500102002）； 2建筑結構荷載規(guī)范 （GB 500092001）；3鋼結構設計規(guī)范 （GB 500172003）；4 甲方提供的設計圖以及有關的理論計算數據。本次靜力加載主要以板面滿布荷載為主要工況，以驗證結構在豎向板面荷載作用下的承載力?？紤]到該桁架體系相對的平面外剛度遠小于平面內剛度，雖然有橫向支撐來限制平面外失穩(wěn)，但該措施屬于構造措施，是否能夠滿足要求，還需要進行偏載試驗。因此根據實際結構形式、施工過程以及相關的規(guī)范要求，結合甲方的意見，本次試驗主要選取中間一榀鋼桁架次梁為測試對象。

4、桁架試驗測試的內容主要是以下項目：1 滿載和偏載下的桁架整體變形。2 滿載和偏載下的桁架的承載力。3 滿載和偏載下的桁架主要桿件的內力。4 滿載和偏載下的桁架節(jié)點的變形及節(jié)點次彎矩對桁架的應力影響。3.測點布置1. 應變測點布置由于“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復合構件，而整個結構體系為一組合結構。因此，對該結構體系的研究應著眼于同時研究混凝土板和鋼桁架在靜力荷載作用下的受力特點。根據結構受力特點分析和有限元計算結果，通過浙江大學土木系和上海歐本鋼桁架工程有限公司之間詳細的討論，確定混凝土和桁架應變測點如圖1圖2。 圖1 混凝土樓板頂面

5、（底）應變片布置圖 2位移測點布置。由于該鋼桁架的跨度相對較大，達到了7.5m，因此結構體系的剛度是否滿足規(guī)范的要求，也需要通過足尺模型的靜力加載試驗進行研究。根據有限元計算結果和詳細的討論，確定在兩個試驗狀態(tài)下的位移測點如圖3圖4。其中圖四為對偏載情況下的桁架側向變形進行研究，偏載試驗中桿件內力扭轉部分相對較小，這里主要依靠平面外變形測試進行研究。 圖4桁架側向位移測點布置圖（偏載下） 圖3桁架豎向位移測點布置圖（滿布荷載下）4.加載程序本次靜力加載主要以板面滿布荷載為主要工況，以驗證結構在豎向板面荷載作用下的承載力?？紤]到該桁架體系相對的平面外剛度遠小于平面內剛度，雖然有橫向支撐來限制平面

6、外失穩(wěn)，但該措施屬于構造措施，是否能夠滿足要求，還需要進行偏載試驗。靜力加載可通過混凝土平臺上堆沙包實現加載。加載工況中的滿布荷載為在圖5中的四個區(qū)域全部施加均布荷載。隔跨加載指對1、3區(qū)域進行加載。共分3個工況，步驟如下：預載階段: 0 80kg 0工況1 全樓面承受滿布荷載，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.測試結果與分析5.1工況1根據試驗測得的數據，表明整體結構在標準荷載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5.1.1節(jié)）；b次梁端部截面處，受壓腹桿在桿端節(jié)點次彎矩以及自身存在的失穩(wěn)因素的共同作用下破壞（見5.1.2節(jié)）；c整體結構的最大撓度以及側移過大，影響正常使用。（見5.1.3節(jié)）。 5.1.1桁架上下弦計算分析 因為上下弦應力和彎矩由兩端向中間遞增，因此在討論上下弦和彎矩時，重點對跨中截面進行計算分析。文獻1中給出的計算公式運用了一下假設：將次梁作為桁架計算，外部荷載主要轉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。以下根據試驗測得的應變數據來證明上述假設的正確性： 圖5.1.1 板面混凝土測點沿次梁方向的應變 圖5.1.2板面混

9、凝土測點垂直次梁方向的應變 圖5.1.3 板底混凝土測點應變圖5.1.4 跨中上弦桿測點鋼筋應變如圖5.1.15.1.4所示，應變隨荷載基本呈線性增長，說明整體結構處于彈性階段。圖5.1.3與圖5.1.4中，混凝土底面的拉應變與桁架上弦拉應變的數值均較小，且量級相等，數值相近，說明混凝土底板并沒有開裂，上弦與混凝土處于完全共同作用狀態(tài)，相對滑移很小，幾乎可以忽略。同時，圖5.1.3顯示混凝土板底應變數值為正，說明板底處于受拉狀態(tài)，中和軸處于混凝土樓板內部，拉應變很小，說明中和軸離板底很近。 圖5.1.5與圖5.1.6中的C5C12以及C16C18的應變圖形幾乎一致，說明下弦桿遠離中和軸，且高度

10、較小，基本只受軸向拉力作用，受彎矩很小；同時也說明了次梁中部的次彎矩很小，對下弦軸力幾乎沒有影響。 圖5.1.5 跨中節(jié)點測點下弦桿應變圖5.1.6 跨中下弦桿應變盡管整體結構處于彈性階段，但根據試驗測得的混凝土上下表面的應變以及上下弦鋼筋應變數值計算得到的結果表明，整個次梁截面并不符合平截面假定，這主要是由于空腹式結構中，腹桿與上下弦桿存在著一定程度地轉動造成。就混凝土板以及下弦桿來說，因其均是實心構件，且均處于彈性階段，厚度較小，可分別采用平截面假定進行計算，計算公式如下： 圖5.1.7 根據應變計算參數P和M（5.1.11） 荷載為640kg/m2時，板上表面沿次梁方向的壓應變平均值為8

11、1.7210-6板下表面沿次梁方向的拉應變平均值為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變平均值為466.50106根據公式（5.1.11）計算得到P和M，并計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 和實際荷載引起的彎矩 ， 計算結果見表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根據以上表中的數據，說明外荷載主要由上下弦的軸力傳遞（Mtross/Mreal高達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，中和軸處于混凝土內部，因此在混凝土板內上下應力變化明顯，可認為受彎矩和壓力的共同作用，而下弦桿遠離中和軸，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1中的假設成立。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對結構的承載能力計算十分重要。有效翼

13、緣寬度的計算理論：經典的梁彎曲理論是建立在應力沿梁的寬度均勻分布這個假設基礎之上的，而對于以混凝土作為上部寬翼緣的組合次梁，混凝土內部的應力沿寬度方向并不是均勻分布的。應力發(fā)生變化的原因是由于混凝土板面內剪應變的作用，稱為“剪力滯”。為了考慮剪力滯效應的影響，我們利用一個受均布應力的“有效翼緣寬度”來代替實際的受壓翼緣寬度（見文獻2）。圖5.1.8 有效翼緣寬度的概念 總結：結構在荷載為960kg/m2情況下，基本處于彈性階段，撓度在我國規(guī)范規(guī)定的范圍內，且側移很小，可以忽略。結構的正常工作情況下的允許承載能力Ws取上述兩種設計方法的較小值。6.試驗總體評價該結構的桁架形式為K系列空腹式鋼桁架

14、次梁，上弦與混凝土板連接。試驗中，結構在標準荷載640kg/m2下，工作性能優(yōu)異，各項結構構件均處于彈性階段，且應力應變很小，撓度及側移也很小，完全符合我國規(guī)范的各項要求。說明該結構受力合理，充分運用了材料的性能。偏載作用下沒有明顯的側向移動，說明次梁上弦鋼筋與混凝土結合較好，結構自身具有較好的平面外剛度。結構在承受960kg/m2荷載的情況下，依然沒有絲毫破壞的跡象，且各項結構構件的應變也基本處于彈性階段，撓度及側移較小，滿足規(guī)范要求。按強度理論設計時，960kg/m2的荷載條件略微超過了結構的正常工作允許的最大荷載，但遠沒有達到結構的極限承載能力（安全系數取1.7）；按穩(wěn)定理論設計時，960kg/m2的荷載條件甚至沒有達到結構的正常工作允許的最大荷載（安全系數取1.65）。Floorpro桁架結構的優(yōu)點主要表現在：結構新穎獨特，材料省，自重輕，經濟效益明顯，強度與自重的比值遠遠高于其他結構形式。結構安裝便捷，可以大大地縮短施工周期以及較少勞動力消耗。該結構還可以形成一系列的規(guī)格，用戶可以根據自己的需要選擇結構的跨度以及承載能力?？崭菇Y構使得管道、電線等較易鋪設。結構形式隨意性大，應用廣泛，可用于各種建筑類型，特別適合于商用或民用建筑的屋頂和樓板結構。結構可與其他形式的防火材料共同組成一個防火體系，詳