角隅撐加固多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計與分析

王竹林，柳鋒，毛苗波

(山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)工程因質(zhì)量缺陷、遭受災害或事故等原因造成的損傷或損壞將產(chǎn)生安全隱患，有必要對其進行鑒定、加固或修復。近年來，鋼結(jié)構(gòu)鑒定、加固或修復的理論研究已較為成熟，加固改造技術(shù)研究主要集中在鋼結(jié)構(gòu)改擴建工程中的加大原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和加強連接強度2方面，并已在大量工程實踐中得到廣泛應用[1-4]。但對于一些已建項目進行梁柱加固修復時，將構(gòu)件拆卸重新安裝既不經(jīng)濟又費時費力，而對梁柱節(jié)點域采取增加截面強度的加固方法會造成原有焊縫的二次損傷，降低了材料強度，因此如何結(jié)合需加固或修復工程的具體情況，選擇適宜的加固修復技術(shù)仍是目前一個需要探討的問題。

角隅撐是指在框架梁柱節(jié)點附近設(shè)置的一端與梁連接、一端與柱連接的斜撐構(gòu)件。已有的研究表明[5-8]，角隅撐可有效提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力，改善節(jié)點區(qū)域的應力狀態(tài)。角隅撐的加固方法既避免了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拆卸問題，同時又避免了直接在梁柱節(jié)點處進行焊接造成的二次損傷問題。文章結(jié)合工程實例，就角隅撐應用于鋼框架結(jié)構(gòu)的加固與修復進行了探討分析，為同類工程提供一定的參考價值。

1 工程概況

某機械廠廠房共5層，1層層高為4.5 m，2～4層層高均為4.2 m，5層層高為3 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼框架結(jié)構(gòu)，采用壓型鋼板混凝土組合樓板，梁柱節(jié)點采用栓焊混合連接。結(jié)構(gòu)三維視圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示，為便于觀察，圖中未標出柱均為GZ1，未標出梁均為GL1。工程完工后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，梁端翼緣與柱連接部位焊縫存在大量漏焊、未焊滿、未焊透等較為嚴重的焊接缺陷，如圖3所示?？紤]到結(jié)構(gòu)的安全性能，有必要對原結(jié)構(gòu)進行鑒定與加固?；睿?2)1.2恒＋1.4(活＋0.6風)；(3)1.2恒＋1.4(風＋0.7活)；(4)1.2(恒＋0.5活)＋1.3地震＋0.28風。

圖1 結(jié)構(gòu)三維視圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 梁端翼緣與柱連接部位焊接缺陷圖

根據(jù)上述設(shè)計要求，進行原結(jié)構(gòu)校核計算，計算結(jié)果見表2。實際計算表明，結(jié)構(gòu)受第二種荷載組合控制，原結(jié)構(gòu)各項主要計算指標均符合規(guī)范要求，原結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足安全性要求。由此確定，可只對梁柱節(jié)點進行加固處理。

2 工程廠房原設(shè)計復核

工程樓面活荷載為12.0 kN/m2，樓面恒荷載為4.0 kN/m2，當?shù)鼗撅L壓為0.55 kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度為7度(0.1g)，框架抗震等級為四級。鋼材采用Q345鋼，混凝土強度等級為C30，構(gòu)件參數(shù)見表1。

廠房所受主要荷載組合為：(1)1.35恒＋0.98

表1 框架柱、梁構(gòu)件截面參數(shù)表/(mm×mm×mm×mm)

表2 結(jié)構(gòu)校核計算主要結(jié)果表

3 角隅撐加固多層鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計與分析

3.1 加固方案的選擇

針對梁柱節(jié)點連接存在較為嚴重焊接缺陷的情況，可以選擇對焊縫直接修復[9]，或采用梁翼緣貼板[10-11]、梁端加腋[12]等方式進行加固處理。因工程已經(jīng)完工，上述修復與加固方法均需局部拆除樓板，還需對原焊縫進行清理和重新焊接，其實施難度大，且可能對原結(jié)構(gòu)造成新的損傷，應選擇更為適宜的修復與加固方法。

根據(jù)對原設(shè)計復核和工程實際情況，決定在梁柱節(jié)點區(qū)附近增設(shè)角隅撐對鋼框架進行加固處理。

3.2 加固計算

角隅撐采用尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的工字鋼，在柱距梁中心線垂直間距1 200 mm處、梁距柱中心線水平間距1 200 mm處，按45°增設(shè)角隅撐?？蚣芰号cH型鋼柱弱軸連接如圖4所示。

在對框架梁柱節(jié)點進行加固處理時，是否對原焊縫進行重新焊接，對加固后的節(jié)點受力性能影響不大[13-15]，故不再對原焊縫進行修復。為保證結(jié)構(gòu)安全，在進行加固設(shè)計時，將梁柱連接視為完全鉸接和完全剛接2種情況分別計算，進行包絡(luò)設(shè)計。

圖4 框架梁與H型鋼柱弱軸連接圖

加固后的結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表3。梁柱采用鉸接節(jié)點和采用剛接節(jié)點計算的結(jié)果差別不大，加固后結(jié)構(gòu)的應力分別減小了12.2%和13.4%，位移分別減小了6.89%和13.7%，其他各項指標均滿足規(guī)范要求。

表3 加固后結(jié)構(gòu)計算主要結(jié)果表

3.3 加固后的節(jié)點分析

為了解角隅撐與梁柱連接處的受力狀態(tài)，避免產(chǎn)生薄弱部位，以最不利的1層⑥軸為控制框架，對⑥軸/?軸連接處的梁柱節(jié)點進行最不利荷載工況下的數(shù)值模擬分析。

由于構(gòu)件受力在彈性范圍內(nèi)，采用板單元。鋼材本構(gòu)關(guān)系采用理想彈性模型，引入初始缺陷，以1/1 000為缺陷因子。梁柱節(jié)點處分別按鉸接和剛接進行建模。按鉸接建模時，梁與柱的連接通過ABAQUS連接器中的鉸接連接來實現(xiàn)；按剛接建模時，梁與柱的連接，通過ABAQUS中的綁定約束實現(xiàn)。有限元加載時，按構(gòu)件實際內(nèi)力比例施加，并逐漸加至構(gòu)件屈服或屈曲。梁柱節(jié)點鉸接和剛接時加載至 構(gòu)件出現(xiàn)屈服時的應力云圖分別如圖5、6所示。

圖5 加固后鉸接節(jié)點應力云圖

圖6 加固后剛接節(jié)點應力云圖

由圖5可知，對于梁柱節(jié)點為鉸接的情況，當荷載施加至設(shè)計荷載時，梁柱節(jié)點域及梁端區(qū)域應力較小，分布較為均勻，最大應力出現(xiàn)在隅撐外側(cè)主梁翼緣處，應力值為256 MPa；當荷載施加至1.2倍設(shè)計荷載時，節(jié)點域、主梁腹板的應力分布變化不大，梁翼緣處高應力區(qū)開始向跨中方向發(fā)展，隅撐外側(cè)主梁翼緣出現(xiàn)屈服；當荷載施加至1.3倍的設(shè)計荷載時，節(jié)點域應力分布變化不大，隅撐下側(cè)柱應力有所增加，梁翼緣處高應力區(qū)域進一步發(fā)展，隅撐與主梁連接處主梁腹板出現(xiàn)高應力區(qū)，且大部分區(qū)域開始進入屈服。

由圖6可知，對于梁柱節(jié)點為剛接的情況，當荷載施加至設(shè)計荷載時，梁端翼緣應力較鉸接時有所增大，節(jié)點域應力分布仍然較小且分布較為均勻，最大應力出現(xiàn)在隅撐外側(cè)主梁翼緣處，應力值為250.4 MPa；當荷載施加至1.2倍的設(shè)計荷載時，梁翼緣處高應力區(qū)開始發(fā)展，隅撐外側(cè)主梁翼緣出現(xiàn)屈服；當荷載施加至1.3倍的設(shè)計荷載時，梁柱連接處主梁腹板出現(xiàn)較高應力區(qū)域，翼緣隅撐下側(cè)柱應力增加，隅撐與主梁連接處主梁腹板出現(xiàn)高應力區(qū)，且大部分區(qū)域開始進入屈服。

梁柱鉸接節(jié)點和剛接節(jié)點的屈服過程基本相同，承載能力相差不大，最大應力出現(xiàn)在隅撐外側(cè)主梁翼緣處，破壞模式均表現(xiàn)為梁先出現(xiàn)屈服，這符合“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。

4 結(jié)論

通過上述研究得到如下結(jié)論：

(1)增設(shè)角隅撐后，框架結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力都得到提高，應力和位移均有所減小。梁柱鉸接時框架節(jié)點區(qū)域中的應力減小了12.2%，位移減小了6.89%；梁柱剛接時框架節(jié)點區(qū)域中的應力減小了13.4%，位移減小了13%。

(2)增設(shè)角隅撐后，梁柱鉸接節(jié)點和剛接節(jié)點的屈服過程基本相同，承載能力相差不大，最大應力出現(xiàn)在角隅撐外側(cè)主梁翼緣處，破壞模式均表現(xiàn)為梁先出現(xiàn)屈服，符合“強柱弱梁、強節(jié)點弱構(gòu)件”的設(shè)計原則。

該加固工程竣工已約有2年的時間，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，說明該結(jié)構(gòu)加固設(shè)計是成功的。