在役大跨度鋼結構節(jié)點不卸載補強研究

唐 蓉， 張光輝， 朱 浩

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430070)

某屋蓋主體鋼結構(圖1)主要分為五個部分：屋面脊線主梁、墻面脊線主梁、屋面板片次梁、墻面板片次梁和樹狀結構支撐。樹狀支撐半球支座總共14個，本工程主體鋼結構采用Q345B材質(zhì)，用鋼量約為3860 t。樹狀支撐半球節(jié)點由半球支座和耳板組成，耳板上焊有加勁板及環(huán)形貼板，耳板與連接桿件采用銷軸連接。

圖1 屋蓋主體鋼結構

1 鋼結構半球節(jié)點現(xiàn)狀分析

該鋼結構屋蓋主體工程已經(jīng)完工，鋼結構半球節(jié)點處于在役狀態(tài)。運用有限元分析軟件ANSYS[1]，采用Solid92單元，考慮材料非線性[2]，耳板厚度50 mm，屈服應力265 MPa，彈性模量210 GPa，切線模量1.45 GPa[3]。模型以及單元劃分如圖2所示。各軸向力換算成按余弦函數(shù)規(guī)律分布的面荷載沿耳板及環(huán)向貼板內(nèi)柱面加載到模型上，模擬銷軸荷載的傳力特點，如圖3所示。模型約束設在節(jié)點底面，約束三方向的平動自由度。

圖2 節(jié)點有限元模型

圖3 耳板及環(huán)向貼板加載

通過對結構上部網(wǎng)架鋼結構整體模型進行施工過程模擬，提取當前使用狀態(tài)下鋼結構半球節(jié)點連接桿件的內(nèi)力，其值為F桿1=-2961.73 kN，F(xiàn)桿2=-1559.95 kN，F(xiàn)桿3=46.81 kN，F(xiàn)桿4=-1919.22 kN，采用前述加載方式將其加載至相應位置，重點關注鋼節(jié)點耳板上5個區(qū)域的應力水平(如圖4所示)。計算結果見表1中補強前當前荷載作用下等效應力值，結果表明在當前使用狀態(tài)下鋼結構半球節(jié)點處于安全狀態(tài)[4]。

圖4 關注區(qū)域分布

但現(xiàn)階段鋼結構屋蓋承受的荷載并不是結構承受的最不利荷載。在最不利荷載條件下，鋼結構半球節(jié)點連接桿件的內(nèi)力會更大，該鋼節(jié)點可能存在一定的安全隱患。當鋼屋蓋荷載組合取最不利工況時，鋼結構半球節(jié)點各連接桿件的軸向力最大值分別為F桿1=-4852.01 kN，F(xiàn)桿2=-2443.92 kN，F(xiàn)桿3=157.68 kN，F(xiàn)桿4=-3366.27 kN，采用前述加載方式將其加載至相應位置，重點關注鋼節(jié)點耳板5個區(qū)域的應力水平，見表1中補強前最不利荷載作用下等效應力值。從表中可以看出，在最不利荷載狀態(tài)下部分區(qū)域的應力水平超過了Q345鋼材的屈服強度，節(jié)點耳板存在一定的安全隱患，需對此區(qū)域采取補強措施。

2 鋼結構半球節(jié)點補強分析

鋼結構半球節(jié)點補強采用不卸載[5]狀態(tài)下對該鋼結構半球節(jié)點應力較大區(qū)域直接粘貼鋼板的補強方法。采用這種補強方法是由于屋蓋主體鋼結構跨度大[6]，鋼結構半球節(jié)點連接桿件承受較大荷載，如果采用卸載后補強的方法，補強代價過大。同時在受荷狀態(tài)下該鋼結構節(jié)點不能焊接[7]，只能通過結構膠在鋼結構半球節(jié)點應力較大區(qū)域粘貼鋼板補強[8]。

補強結構為30 mm異型加強鋼板，根據(jù)有限元分析確定的鋼結構半球節(jié)點耳板需補強區(qū)域，異型加強鋼板設置在環(huán)形貼板與加勁板之間，加強板與環(huán)形貼板和加勁板接觸面刨平頂緊。補強示意圖如圖5。

圖5 補強結構

在原鋼結構半球節(jié)點有限元模型基礎上建立加強鋼板模型，加強鋼板有限元模型采用Solid92單元，考慮材料非線性，屈服應力295 MPa，彈性模量2.1 GPa，切線模量1.45 GPa[3]，加強鋼板模型與節(jié)點模型邊界連續(xù)。根據(jù)補強前后鋼結構半球節(jié)點受力狀態(tài)的變化過程，運用有限元分析軟件ANSYS的生死單元技術[9]，模擬鋼結構半球節(jié)點在當前使用狀況下單獨受荷時的應力狀態(tài)；然后將加強板模型激活，同時加載鋼結構節(jié)點連接桿件最不利荷載，最終得到鋼結構節(jié)點和加強板在最不利荷載狀態(tài)下共同工作時的狀態(tài)。

鋼結構半球節(jié)點補強模型的計算結果仍關注如圖4所示5個區(qū)域的應力水平，同時關注最不利荷載狀態(tài)下加強板對應區(qū)域的應力，節(jié)點補強模型計算結果見表1。從表中可以看出：(1)在當前使用狀態(tài)下鋼結構半球節(jié)點耳板5個區(qū)域的應力水平較低，當前狀態(tài)下鋼結構半球節(jié)點是安全的；(2)補強后鋼結構半球節(jié)點耳板5個區(qū)域在最不利荷載狀態(tài)下的最大應力為239.825 MPa，應力水平控制在Q345鋼材屈服強度以下；(3)相比補強前鋼結構半球節(jié)點耳板各區(qū)域的等效應力減少幅度為24.5%～36.3%，補強區(qū)域等效應力下降顯著；(4)補強后加強板對應的5個區(qū)域在最不利荷載狀態(tài)下應力水平為100 MPa左右，在Q345鋼材屈服強度以下，加強板承受了一定的荷載，有效降低了耳板的應力水平。

表1 補強前后關注區(qū)域等效應力

3 結 語

從有限元分析結果可以看出，節(jié)點補強區(qū)域的應力水平明顯降低，不卸載補強起到了很好的效果，是可行的。不卸載補強的方法具有對于原結構的破壞更小，補強周期短，施工方便，耗費低等特點，在鋼結構補強領域是一種比較新穎的補強方式，具有廣闊的應用前景。

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