套管加固前后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析

汪 　 菊

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，安徽 六安 237011)

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套管加固前后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析

汪 菊

(安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，安徽 六安 237011)

以某高校體育館網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為工程背景，采用有限元分析軟件ANSYS建立網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型，分析了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在荷載作用下的靜力特性，找出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，并對其受力薄弱點(diǎn)采用套管加固法對其加固，分析這種加固方法的應(yīng)用范圍并加以推廣。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；套管加固法；有限元軟件；靜力特性

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于其良好的受力性能和經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性，在大跨度建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。但是由于各種原因，導(dǎo)致網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件局部破壞或者整體破壞，不能滿足建筑功能的要求。工程中常見的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)有桿件彎曲、螺栓斷裂、網(wǎng)架坍塌、上弦彎曲等等。因此，需要對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。隨著加固技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合材料科學(xué)的進(jìn)步，產(chǎn)生了一些較為新型的加固方法，如CFRP加固方法、維加固法、粘鋼加固法、套管加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、改變網(wǎng)架支撐的方法[1-6]等，本文重點(diǎn)分析套管加固法[7]，針對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力薄弱點(diǎn)對其進(jìn)行套管加固，分析其靜力學(xué)性能的變化。

1　套管加固方法

套管加固方法一般是在鋼筋外面通過焊接，套于角鋼或者槽鋼，分擔(dān)荷載，如圖1所示。為了提高外管的抗彎性能，提供了一個強(qiáng)有力的約束，把外管做成格構(gòu)式，即在桿件外面焊接角鋼或者槽鋼，確保兩者一起受力。套管加固法是一種常用的加固方法。

圖1套管加固法示意圖

2　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加固前后的靜力特性分析

2.1工程有限元模型

以某高校體育館工程為例，其主體部分采用框架結(jié)構(gòu)，屋蓋為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由簡支的鋼網(wǎng)格組成，接頭設(shè)置在網(wǎng)格的交點(diǎn)處。屋蓋覆蓋面積為2 304 m2，x軸(東西向)、y軸(南北向)均為48m，由24×24個網(wǎng)格組成，每個網(wǎng)格為2m×2m，網(wǎng)架高1.5m。所有網(wǎng)格都采用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件拼裝而成，節(jié)點(diǎn)形式采用螺栓節(jié)點(diǎn)。支座節(jié)點(diǎn)采用平板壓力支座。屋面板為100mm厚波形EPS夾心板。該體育館的屋蓋鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的平面和立面布置如圖3所示，鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上、下弦桿和斜桿所采用的鋼管參數(shù)如表1所示。

圖2鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上、下弦桿和斜桿所采用的型鋼圖

圖3　平面和立面布置圖

桿 件銹蝕前鋼管/mm銹蝕后鋼管/mm彈性模量/MPa上弦桿?113×6?112×5下弦桿?63×4?62×32.06×105斜桿?89×5?88×4鋼屋面板10099

工程設(shè)計(jì)荷載：

1)恒載：網(wǎng)架自重、屋面靜荷載及燈具設(shè)備總載荷為1.03kN/m2；

2)活荷載：按照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范取值為0.50kN/m2；

3)風(fēng)荷載：不考慮風(fēng)荷載；

4)雪荷載：雪荷載是作用于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的重要荷載之一。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范以及參考該地區(qū)50年內(nèi)最大雪荷載，經(jīng)計(jì)算取雪荷載值為0.36kN/m2。

參考建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，將ANSYS中設(shè)置的組合工況列于表2。

表2　組合系數(shù)

工程網(wǎng)架結(jié)構(gòu)材料選定。該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分桿件已經(jīng)銹蝕，甚至脫落，桿件實(shí)例承載面積已經(jīng)發(fā)生改變。因此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的計(jì)算要考慮銹蝕后有效面積。表1為銹蝕前后桿件的截面面積，未銹蝕的桿件截面保持不變。

2.2網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜力分析

2.2.1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

根據(jù)已有資料，結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算采取統(tǒng)一的有限元模型，其中4邊簡支，均布荷載，上弦桿施加均布力為3 kN/m2，下弦桿施加均布力為3 kN/m2。網(wǎng)架的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3，有限元模型如圖4所示。

表3　網(wǎng)架的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖4有限元模型

2.2.2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果分析

表4　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分桿件現(xiàn)狀內(nèi)力

由表4知，部分桿件的應(yīng)力比超過容許值，部分桿件強(qiáng)度不足。圖 5為按可變荷載組合情況下網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的軸力圖。從圖中可以看出，在均布荷載作用下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中間部分最先屈服，然后從中間往四周擴(kuò)散。上弦桿絕大部分屬于壓桿。因?yàn)槌惺芫己奢d，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中間桿件承載較大荷載，上弦壓桿壓應(yīng)力過大，部分桿件處于屈服邊緣。腹桿部分桿件受壓，部分受拉；下弦桿桿件絕大部分是受拉桿。

圖5網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軸力圖

通過圖6～8得知，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)靜力分析的變形在 X、Y、Z方向均會出現(xiàn)，但主要變形是在Z方向上。

由圖8可知，上弦桿件中間部位Z向位移過大，部分上弦桿件平面外剛度不足，整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大位移達(dá)到216mm，大于120mm(48 000/400mm)，主要表現(xiàn)在圖中藍(lán)色部分，不滿足規(guī)范要求，需要采取加固措施。編號有130、131、132、167、168和169。根據(jù)《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》(JGJ7-91)對于螺栓球節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，桿件的計(jì)算長度取為桿件的長度L?？紤]到桿件的銹蝕導(dǎo)致部分桿件截面面積損失，故需要重新校核桿件的長細(xì)比，評估其現(xiàn)有的剛度。經(jīng)計(jì)算得銹蝕后上述桿件長細(xì)比為57.03，未超過界限長細(xì)比[λ]，滿足規(guī)范要求。

由于該網(wǎng)架部分弦桿銹蝕導(dǎo)致構(gòu)件承載力下降，通過對該網(wǎng)架進(jìn)行靜力分析可以得出部分壓桿的應(yīng)力比均超過限值，節(jié)點(diǎn)最大位移超過規(guī)范允許值。

通過分析還獲得上弦桿、腹桿、下弦桿的內(nèi)力分布，從而在工程實(shí)際施工中應(yīng)考慮。

2.3網(wǎng)架結(jié)構(gòu)套管加固法加固實(shí)踐

前文對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力分析，部分桿件的應(yīng)力超限，具體位置為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的中間部位，編號主要有130、131、132、167、168和169等。桿件型號如表5。

圖6網(wǎng)架結(jié)構(gòu)X軸位移圖

圖7　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Y軸位移圖

圖8　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)Z軸位移圖

表5　加固前后鋼管的參數(shù)

對結(jié)構(gòu)在靜力下重新進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)各桿件的軸力有所變化，由計(jì)算所得軸力如圖9。

由圖9和表6可以看出：套管加固后，由于自重的增加，上弦壓桿的軸力增大。但套管加固后同時也增大了截面的面積，比較應(yīng)力比可以看出，未加固前應(yīng)力比超限的桿件在加固后都未超限。由圖10比較UZ值可以發(fā)現(xiàn)，套管加固后，最大靜力位移滿足規(guī)范要求，UZ值由216mm降至110mm，降幅明顯。

(a) 未加固前軸力

(b) 套管加固后軸力

桿件編號130131132167168169未加固前-0.80-0.80-0.78-0.88-0.93-0.96套管加固后-0.46-0.45-0.42-0.51-0.54-0.56

(a) 未加固前UZ圖 (b) 套管加固后UZ圖

圖10套管加固后Z向位移對比圖

3　總　結(jié)

綜上所述，套管加固法具有以下特點(diǎn)：

1)外觀方面:套管加固法需在加固桿件外面利用焊接，套于角鋼或者槽鋼，共同承擔(dān)外荷載。

2)加固效果方面:從表8可以看出，套管加固法，提高強(qiáng)度很高，但是對于強(qiáng)度破壞的受拉桿件加固效果不明顯。

3)施工方面:套管加固法一般是在需要加固的桿件外面利用焊接套于角鋼或者槽鋼。因此焊接過程中對在役鋼管會造成影響，使部分焊接構(gòu)件存在焊接殘余應(yīng)力與應(yīng)變，降低了焊件的強(qiáng)度[8-9]。

套管加固在增大桿件承載力的同時，也提高了桿件的回轉(zhuǎn)半徑，適合于受壓桿件的加固。但是，套管加固法也有其局限性[10]，由于套管和桿件多為焊縫連接，焊接可以使桿件彎曲，增大桿件的偏向，導(dǎo)致受壓承載力降低。同時，套管增加桿件橫向荷載，導(dǎo)致桿件撓度增大，也會對網(wǎng)架的外觀產(chǎn)生一定影響。

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Static Finite Element Analysis of the Spatial Grid Structure Casing before and after Reinforcement

WANG Ju

(Architectural Engineering Department, Anhui National Defense Vocational College，Lu’an, Anhui 237011, China)

This paper bases on the gird structure of a college stadium. We use ANSYS -finite element software to build a gird-structure pattern, analyze the static characteristics of the gird structure under a loading condition, and find out its weakness of the structural design. Furthermore, we use the reinforced tubular sleeve method to firm its weakness, analyze the scope of application of the reinforced method and extending.

gird structure; finite element software; reinforced tubular sleeve method; scope of application

2015-12-29

安徽高校省級質(zhì)量工程資助項(xiàng)目(2014tszy070)。

汪菊，女，安徽六安人，碩士，安徽國防科技職業(yè)學(xué)院建筑工程系教師、工程師，主要從事土木工程教學(xué)及研究。E-mail: 418952905@qq.com

時間：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.018.html

TU356

A

1007-4260(2016)03-0062-06

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.018