工字形截面受彎鋼梁負載下焊接加固試驗研究

楊東升

國核工程有限公司 上海 200233

1 概述

在實際工程中，焊接補強的施工過程大多在原結(jié)構(gòu)已承受使用階段荷載的情況下進行，焊接區(qū)域附近鋼材溫度急劇升高導致局部鋼材暫時失去強度，引發(fā)構(gòu)件剛度不均勻；對于承受軸向壓力的構(gòu)件，其穩(wěn)定性可能發(fā)生改變。國內(nèi)外對負載下焊接加固鋼構(gòu)件的理論和試驗研究較少，在某單層廠房的加固改造中，采用了負載下焊接加固鋼梁的加固技術(shù)，通過加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面，設置斜向加勁肋及加腋加固節(jié)點域的方式有效降低了構(gòu)件應力；

2 試驗概況

2.1 試驗裝置

試驗在土木工程安全與耐久實驗室完成，試驗加載裝置如圖1所示。圖中DI-1-DI-7均為位移計編號，其中DI-1、DI-2是分別量測試件跨中截面上下翼緣端部的側(cè)向位移；DI-3用來量測試件跨中的豎向撓度；DI-4用來量測試件1/4跨度處豎向位移；DI-5-DI-8是用來量測試件端部上下翼緣中點處的水平縱向位移，用以得到整個過程中試件端部的轉(zhuǎn)角。試件兩端采用加工的夾支支座約束梁端部的面外位移，夾支長度為支承左右各100mm。梁底部的支承一端限制水平位移，另一端使用輥軸釋放其縱向水平約束。

圖1 試驗加載裝置示意

2.2 加載和加固施焊方案

試驗采用100T液壓千斤頂和反力架對鋼梁進行跨中單點加載。正式加載前進行預加載，確認數(shù)據(jù)采集裝置工作正常，并最大程度的消除加載裝置之間的縫隙，提高所得數(shù)據(jù)結(jié)果的準確性。對于未加固試件BI-UR和未負載加固試件BI-S1采用一次性單調(diào)加載至破壞[1]。而對于負載下焊接加固的試件BI-S2和試件BIS3，首先加載至預先擬定的初始荷載大小，然后保持該負載不變，同時按既定的施焊順序?qū)庸贪搴弯摿旱倪B接焊縫進行施焊，待所有焊縫焊接完成并冷卻后，繼續(xù)加載直至構(gòu)件發(fā)生最終的破壞為止。試驗中試件BI-S2和試件BI-S3的初始負載分別為120kN和240kN。加固鋼板和翼緣端部的連接采用全長的連續(xù)角焊縫連接，焊縫的焊腳尺寸取為4mm，符合規(guī)范規(guī)定。在施焊前，首先將加固鋼板定位至翼緣外側(cè)并全長相互壓緊，然后采用點焊固定，點焊間距350mm，其最后的點焊分段如圖2。加固板的固定壓緊措施如圖3所示，采用G型夾鉗和角鋼螺桿組件夾緊定位。

圖2 鋼梁焊接加固施焊順序

圖3 加固板固定

根據(jù)規(guī)范的規(guī)定，對上下焊接鋼板加固的受彎鋼梁，首先焊接受拉側(cè)的加固板，再焊接受壓側(cè)的加固板。焊縫要從兩端向跨中施焊，即按照從A1-A2B1-…-D2的順序?qū)︿摿杭庸毯缚p分段完成加固連接焊縫的施焊。再根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》(CECS77：96)規(guī)定，對A1-D2中各分段中連接焊縫的施焊規(guī)定按圖5(b)中對A1段焊縫施焊順序進行，將加固板兩側(cè)350mm焊縫按每段70mm分成10段，按從1-10的順序進行各道焊縫的對稱施焊，每道焊縫現(xiàn)場焊接時間約為10s，焊后停歇約10s。待A1段完成后進入下一板段加固連接焊縫的焊接。待所有焊縫施焊完成且構(gòu)件冷卻至常溫狀態(tài)后，繼續(xù)加載直至試件最后出現(xiàn)變形增大而荷載急劇下降為止。

3 結(jié)語

（1）在對負載鋼構(gòu)件進行焊接加固的過程中，高溫影響區(qū)域主要集中于焊縫附近10cm以內(nèi)的局部，由于焊接殘余應力的影響，焊接完成后應力分布將發(fā)生較大變化。（2）焊接殘余應力將使軸壓構(gòu)件過早屈服，但不會降低其承載能力，焊接殘余應力對受彎構(gòu)件的承載力影響較小。（3）盡管加固構(gòu)件不直接承受荷載，但其依靠可靠的焊縫連接，可明顯提高加固構(gòu)件的承載能力。（4）對于鋼梁和鋼支撐，在負載時焊接引起的位移和分別為1.06、0.42mm，均在可控范圍內(nèi)。鋼梁受拉翼緣在焊接時暫時由于高溫膨脹而受壓，受軸壓荷載的鋼支撐在弱軸方向的側(cè)移明顯大于強軸方向的側(cè)移，但在焊接完成時，側(cè)移均大部分得以恢復，焊接加固過程中結(jié)構(gòu)的安全性可得到保證。

（1）所有構(gòu)件最終均發(fā)生空間彎扭破壞模式，長細比和偏心距越大，失穩(wěn)時面外位移變化趨勢越明顯；初始幾何缺陷模式和大小影響失穩(wěn)破壞方向及焊接殘余變形大小。（2）極限承載力的主要影響因素依次為偏心距、柱長度（長細比）、焊接熱輸入、初始負載（初始應力比）。（3）焊接殘余變形的主要影響因素依次為焊接熱輸入、初始負載（初始應力比）、柱長度（長細比），而焊接殘余變形在對稱加固時對偏心距不敏感。