H型鋼柱的加固

商曉彤　甄國梁

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島　266590)

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H型鋼柱的加固

商曉彤甄國梁

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島266590)

分析了H型鋼柱的強度，探討了鋼柱的負(fù)荷加固技術(shù)，對鋼柱加固中的實際問題進行了研究，指出對于柱的承載力設(shè)計值來說，必要的加固措施是安全可行的，當(dāng)加固焊縫盡可能接近翼緣邊緣時，加固效果最好。

鋼柱，應(yīng)力，焊接，加固

0　引言

鋼柱結(jié)構(gòu)往往需要比初期設(shè)計時更高的承載力，若此時柱已安置穩(wěn)妥，則加固就要在負(fù)荷情況下進行或者卸載后再加固。

鋼柱可用連接鋼板進行加固，或者進行焊接改變殘余應(yīng)力的分布形式，也可以將兩種方法相結(jié)合。連接鋼板的加固效果已有過大量研究，這里不再贅述。文章著重介紹焊接加固。研究結(jié)果僅適用于施加靜力荷載的寬翼緣冷軋H型鋼柱。在某些特定情況下，只能通過焊接改變殘余應(yīng)力的分布達(dá)到加固的效果。

1　H型鋼柱的強度

受壓鋼構(gòu)件的強度是一個關(guān)于多參數(shù)的函數(shù)，這些參數(shù)包括屈服點、構(gòu)件有效長度、偏心距、殘余應(yīng)力的大小及分布等，雖然這些參數(shù)都很重要，但殘余應(yīng)力的大小和分布需著重考慮。殘余應(yīng)力是構(gòu)件焊接冷卻后產(chǎn)生不均勻溫度場，使結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形而引起的內(nèi)部應(yīng)力。由于殘余應(yīng)力在施加荷載之前就存在，所以它會使結(jié)構(gòu)原本應(yīng)有的承載力降低。橫截面內(nèi)的殘余拉應(yīng)力和殘余壓應(yīng)力是平衡的，只有殘余壓應(yīng)力會降低H型鋼柱的抗壓強度。然而無論怎樣，有一點可以確定，改變殘余應(yīng)力的分布形式，可以將構(gòu)件改造得更為“優(yōu)良”，這里的“優(yōu)良”指的是將構(gòu)件的抗壓強度損失降到最低(值得注意的是，一種有利的分布形式只是可以減少殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響，但是殘余應(yīng)力的存在并不會提高構(gòu)件本身的強度)。將殘余應(yīng)力的分布形式改變得對結(jié)構(gòu)更有利，最簡單的方法是通過高溫、焊接或者氣割。焊接和氣割都是將熱源集中輸入構(gòu)件，產(chǎn)生高度不均勻的溫度場，由此產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的屈服點位于焊縫處或氣割切口的邊緣。對結(jié)構(gòu)有利的殘余應(yīng)力分布在殘余拉應(yīng)力所在的部位，這樣一來橫截面的關(guān)鍵部分在壓力作用下仍會保持彈性狀態(tài)。

在構(gòu)件無其他加固措施且忽略焊縫自身強度的情況下，柱翼緣邊緣的焊縫可將屈服點處的殘余壓應(yīng)力變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力，這將顯著提高柱的承載能力。

所謂的H型鋼柱加固，即是將加固鋼板焊接在鋼柱的翼緣板上，兩者結(jié)合后的構(gòu)件強度與只有焊接加固時相比會有很大幅度的提高，這是鋼板和殘余應(yīng)力重分布共同作用的結(jié)果。Lambert Tall使用H203×203 mm×7 mm×11 mm的構(gòu)件及178 mm×178 mm×9 mm的加固鋼板進行實驗，結(jié)果顯示，加固后的構(gòu)件強度提高了10%，由于實驗中的強度對應(yīng)的是整個截面面積的屈服強度，故真實強度應(yīng)該會高于試驗數(shù)值。

焊接過程會減小翼緣端部的原始?xì)堄嗬瓚?yīng)變，到最后階段，此部位的殘余應(yīng)力都變?yōu)槔?或者偶爾出現(xiàn)非常小的壓力，這主要取決于焊縫參數(shù)和構(gòu)件幾何尺寸)，如此一來，材料在荷載作用下仍處于彈性狀態(tài)，故殘余應(yīng)力的最終分布形式是對結(jié)構(gòu)有利的。

2　鋼柱的負(fù)荷加固

許多柱需要在沒有安全保證的條件下進行負(fù)荷加固，這種做法并不可取，如果不得不采取這種做法時，要事先進行安全性分析。

在負(fù)荷情況下進行加固，為避免橫截面受焊接溫度的影響，萬不可采取橫向焊接。更要注意的是，每次只能對一個鋼柱翼緣進行縱向焊接，以保證每次焊接只有一個翼緣橫截面處于彈性狀態(tài)。

翼緣端部的塑性變形取決于焊接時的熱量輸入及焊接工藝(包括焊接速度、焊縫尺寸等)。對于一塊12 mm厚，100 mm寬的翼緣板，分析其近似溫度場的曲線可知，屈服強度是關(guān)于溫度的函數(shù)，Q235的鋼材，在溫度超過283 ℃后，屈服強度降低到151 MPa，距離邊緣焊縫的最大距離保持在25 mm以內(nèi)。對于其他厚度寬度更大的翼緣板，屈服強度的降低對其影響并不明顯，因為焊縫在體積較大的翼緣板中更能保持其原有的形狀尺寸。

基于以上討論可知，對于Q235鋼材，如果鋼柱的工作荷載所對應(yīng)的容許應(yīng)力值未超過151 MPa，那么在不卸載情況下進行焊接是安全的。

此后對柱進行縱向彎曲強度分析(屈曲分析)表明，距離翼緣端部25 mm的部位已經(jīng)發(fā)生屈服并失去了抗彎曲能力。這說明，不對稱橫截面上的偏心荷載會引起梁—柱的雙軸彎曲，這是一種僅發(fā)生在長柱結(jié)構(gòu)中的復(fù)雜現(xiàn)象。

對H型鋼柱負(fù)荷加固的研究結(jié)果顯示，焊接過程對已承受172 MPa壓力的構(gòu)件沒有顯著影響。因此可以得到如下結(jié)論：焊接過程僅僅對焊縫臨近的小部分區(qū)域有影響，其他大部分區(qū)域的材料性能并不會降低。由于在焊縫作用下，橫截面發(fā)生的塑性變形與柱截面的增加值相比相對較小，所以對負(fù)荷狀態(tài)下H型鋼柱的加固要使用縱向焊接。然而，最終結(jié)論的確定仍需要進一步的研究結(jié)果。

研究加固前后殘余應(yīng)力的分布形式發(fā)現(xiàn)，在加固構(gòu)件中，無論負(fù)荷狀態(tài)還是卸載狀態(tài)，殘余應(yīng)力的分布是完全相同的。

3　實際問題

若想要使殘余應(yīng)力的分布對結(jié)構(gòu)有利，則用于構(gòu)件連接的鋼板，其寬度應(yīng)有相應(yīng)的尺寸下限，但不需要明確的尺寸上限。若加固鋼板略窄于翼緣，則鋼板寬度最小不能少于翼緣寬度減去預(yù)留的焊接空間寬度，這是為了使焊縫盡可能地接近翼緣邊緣，以至于有效地將殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)換為拉力。若蓋板寬于翼緣，則其尺寸按照日常寬厚比限制條件進行設(shè)計即可。

盡管在加固鋼板的任何位置進行焊接都是可行的，但正如前文所說，只有焊縫距離構(gòu)件翼緣邊緣最近時加固效果最好，因此隨著翼緣端部壓力的增大，在靠近翼緣和腹板連接的位置會產(chǎn)生額外的殘余拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在會減小構(gòu)件強度，而加固鋼板的使用可降低這一不良影響。

通常情況下，氣割鋼板常被用作加固鋼板，對于和翼緣有相似尺寸的加固板來說是否為氣割鋼板并不是必要條件。由于焊接需要構(gòu)件翼緣和加固板的同時參與，所以加固鋼板有足夠的寬度這一點顯得尤為重要。在提高構(gòu)件強度方面，殘余應(yīng)力的有利分布主要是由加固鋼板的氣割引起的，而焊縫本身基本不提供強度。

焊接時不建議使用間斷焊，在翼緣端部使用間斷焊不僅不會達(dá)到預(yù)期效果，還會起到相反的作用。

4　結(jié)語

將加固鋼板焊接在H型鋼柱翼緣對柱進行加固通常會提高柱的強度，這是鋼板和殘余應(yīng)力重分布共同作用的結(jié)果。

H型鋼柱翼緣端部的焊縫使殘余應(yīng)力以有利于提高結(jié)構(gòu)承載力的形式進行重分布，這對提高柱的強度有顯著影響。

通常情況下，氣割鋼板更適合作為柱的加固鋼板與H型鋼柱翼緣進行焊接。

若考慮柱的承載能力設(shè)計值，在負(fù)荷狀態(tài)下進行加固是可行且安全的，但加固前需對工作荷載進行核查。

當(dāng)加固焊縫與H型鋼柱翼緣邊緣之間的距離最小時，可獲得最好的加固效果。

對于加固構(gòu)件，無論是負(fù)荷狀態(tài)還是卸載狀態(tài)，加固后的構(gòu)件強度是完全相同的。

由于殘余應(yīng)力的存在會削弱附加構(gòu)件對原構(gòu)件強度的增強作用，所以附加構(gòu)件(加固鋼板)自身的焊縫以及翼緣和腹板之間的焊縫不會為加固構(gòu)件提供額外強度。

加固鋼板與柱翼緣的焊接禁止使用間斷焊。

[1]祝瑞祥,王元清,戴國欣,等.負(fù)載下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固技術(shù)及其應(yīng)用研究綜述[A].第十一屆全國建筑物鑒定與加固改造學(xué)術(shù)交流會議論文集[C].北京:中國建材工業(yè)出版社,2012:188-194.

[2]Tall,L.“Centrally Compressed Members.”In Stability and Strength of Structures,edited by R.Narayanan.London:Elsevier,1982.

[3]Johnston,B.G.,Editor, Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures, 3rd Edition,Wiley,1976.

[4]龔順風(fēng),程江敏,程鵬.加固鋼柱的非線性屈曲性能研究[J].鋼結(jié)構(gòu),2011,26(11):15-19.

[5]CECS 77:1996，鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].

On consolidation of H-shaped steel columns

Shang XiaotongZhen Guoliang

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

The paper analyzes the strength of the H-shaped steel columns, explores the loading consolidation technique of the steel columns, researches the problems in the steel column consolidation, and indicates the necessary consolidation measures are safe and feasible for the design value of the column loading capacity, so the consolidation is most effective when the welding joint is close to the flange.

steel column, stress, welding, consolidation

1009-6825(2016)21-0042-02

2016-05-13

商曉彤(1990- )，女，在讀碩士；甄國梁(1992- )，男，在讀碩士

TU391

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