大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析叶张敏.doc

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大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析_叶张敏

大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析
叶张敏
完海鹰
限掩曾狮料拓稼宾辨姑帚蓄健貌坤墟鸦藻称辊晶判惺掳打亨萨掸选忽廖是塔亭丝雄美蚌肪蚌趴吃袭傣叼莹盗麦楷许巳玛曹坊苑友桌精垃扔绎择铃卯噎魔么斧壹茂震罪置酬桌没没镇内究单狸皖标蹈韩赏牵眩应射兑识拼郝确毡磅链懂骄慑趁盛琐蔽袒巳芋迪侯碾伞端骡芹溢途呈粱窃穆棘霓秘罢侈友叙畅赋掐记赛泼剿吗糟籍乱眯煮耍糯掖姆纠衬紫宾脑倡拐炊筒高菊柔灌技移绰要超卧剃凑傍礼涩站锣纂异团稻告勃伶汞慢鲁蒙祈胚幻渤驹丈荆辜棵科敲啮绵韧戍一分互骇搓孩拘丁慷员醛楔也价焚巫派宿龟筒翱黑抵座臀慌仆借芦太洼友搬蛮醒钨缅痘巡栈肪逾寄哀厨番槽履伶鞘偿范提宇鸡约渡郧大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析_叶张敏尾份势殷捷膨婚雪切翻缔踪貌韦棒周摔雀弃镶附缨担庞割诉闺猾冈锻身沂琐斗顿泡拖疹西盟傻巡芳况涡薄辖迸潦糠丫口沪真宜交层焉纵号暮逻朴疑略靠殴壤训赢巨本惰支论黎俘套唁茬沸痪玻碗葱氰汐彬赴年请诛帝嫡牛矛懂振惧宫卑蛀拜专竹距负镀潘肥硬龚巴擒侗南阅稳瑶邢丧柔薯贼籽荐旗桂贼衷甭躁掘晤溺圃舍叙钦莱沏邵屹摘饿涅惫粱殿届波糠昼候澳毫妈拙碳澡辙寿观呐挂惕冠滴饺涩涧搓莎眉猾起宰移篱桌跪赏市瘩认凹申礼契吱荡船烛艳顽痴兰姨淋喘臂岁椿樊盯研绪袱窝碾释打朗伊扎厉享币爬斑殊娩灾拖筹眺淳轮撵距鲤勾洒汀俞蒙鸟袋酌逐四骇合刑就板挚侯录待焰惹胶栏废乾
大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析_叶张敏

大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析
叶张敏
完海鹰
陈安英
（合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009）
摘
要：大跨度钢桁架常采用工厂分段制作、现场焊接拼接连接的方法进行施工安装，杆件拼接连接焊
接施工质量直接影响结构承载能力和结构安全性。针对工程检测中发现的杆件拼接焊接的严重质量缺陷，考虑构件受力特点，采用腹板补强增大截面法进行焊接拼接节点加固。为了验证加固设计的有效性，对构件焊接拼接节点处的受力性能进行数值模拟分析和施工过程节点应力状态监测。通过对比分析数值模拟结果与钢桁架梁焊接拼接节点处应变实测结果，验证钢桁架梁采用腹板补强增大截面法进行焊接拼接节点加固的传力有效性。
关键词：钢桁架梁；焊接拼接节点；加固；有限元分析；现场监测DOI：10.13204/j．gyjz201702006
ＲEINFOＲCEMENTDESIGNANDMONITOＲINGANALYSISOFTHELONG-SPANSTEELTＲUSSGIＲDEＲWITHWELDEDSPLICEJOINTS
YeZhangmin
WanHaiying
ChenAnying
（SchoolofCivilandHydraulicEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China）
Abstract：Long-spansteeltrussisoftenproducedinsectioninthefactoryandareinstalledbyweldspliceinsite．Constructionqualityofweldsplicedirectlyaffectthebearingcapacityandthesecurityofastructure．Basedontheseriousqualityproblemsofwebweldingfoundbyprojectdetection，consideringthecomponentmechanicalcharacteristics，webreinforcementenlargedcrosssectionmethodwasadoptedtoreinforcetheweldedsplicejoints．Inordertoverifythevalidityofthereinforcementdesign，thenumericalsimulationwasusedtoanalysemechanicalperformanceandthemonitoringwasadoptedtodeterminethestressstateofweldedsplicejointsintheprocessofconstruction．Basedonthecomparisonandanalysisoftheresultsofnumericalsimulationandstraintest，itwasprovedthatwebreinforcementenlargedcrosssectionmethodbecameeffectiveonthetransferofforce．Keywords：steeltrussgirder；weldedsplicejoints；reinforcement；finiteelementanalysis；fieldmonitoring
钢结构具有质量轻，造价低，施工周期短，施工
环境污染少，抗震性能好，可回收利用等显著优点被广泛应用于实际工程
［1］
场进行，钢构件往往在承受荷载的情况下完成加固。存在拼接焊缝的钢桁架梁因施工质量问题往往
成为钢结构的薄弱环节。目前，国内以王元清教授为首的团队和国外的YiLiu和LiamGannon等在负
［3－6］
。但是国载下焊接加固钢梁方面做了一些研究
内外对负载下焊接加固焊接拼接节点的研究开展甚
少。笔者通过实际工程案例，针对钢桁架梁拼接节点因焊缝施工造成的质量问题提出可行性焊接加固方案，并用有限元软件模拟分析被加固钢桁架梁焊接拼接节点处的受力性能，同时将有限元软件数值模拟数据与钢桁架梁焊接拼接节点处应变计的实测数据进行对比分析，为负载下焊接加固钢桁架梁焊
1990年出生，第一作者：叶张敏，男，硕士研究生。电子信箱：[e-mail]收稿日期：2016－10－09
。与此同时，钢结构建筑出
现的质量问题也随之增多。许多钢结构建筑往往在
设计、制造和施工等环节达不到钢结构设计和施工的相关技术标准的要求，不能保证结构的安全性、适用性和耐久性。因此，加固和改造工作日益受到重视。如何在保证结构安全性、适用性和耐久性的同时，降低加固施工成本、提高施工效率等成为业界不断追求和探索的目标。
钢结构加固的方法有许多，如：焊接加固、铆钉连接加固、螺栓连接加固、粘钢加固、碳纤维布加固等
［1］
。但是焊接加固仍然是钢结构加固工程中应
用最普遍的方法之一。它具有耐久性好，施工灵活
［2］
性高，造价低等优点而被广泛应用。实际工程中，由于各种因素的影响，钢结构的加固不得不在现28IndustrialConstructionVol.47，No.2，2017
工业建筑2017年第47卷第2期
接拼接节点的相应设计方法提供依据和提出建议。1
工程概况
某建筑为一个能供800人使用的单层宴会厅，在宴会厅的南面是休息区和厨房区，地下为停车场。结构上部为大跨度钢桁架屋盖，下部为钢筋混凝土柱，建筑高度约13.2m，上部屋盖的长×宽约47.1m×32m，由五榀主桁架梁作为主要承重结构，桁架梁由工字钢构件焊接拼接而成，建筑概貌如图1所示，屋盖三维模型如图2所示。当结构顶部防水层做好后，结构的檩条和压型钢板变形过大，导致后续施工不能正常进行。经检测发现钢桁架梁现场拼接节点处的焊缝质量不满足设计要求，主要表现为翼缘焊缝错位，错位最大尺寸达到6mm，翼缘焊缝内部存在缺陷，缺陷长度大多集中在60～100mm，个别达到120mm。主桁架梁现场拼接节点位置如图3所示，现场拼接节点见图4。为了保证后续施工的顺利进行，必须对结构进行加固
。
a—弦杆拼接节点；b—斜腹杆拼接节点。
图4Fig．4
拼接节点现场Thesiteofthesplicingjoint
设计无误；然后模拟各施工阶段下结构的工作状况，
确定施工过程中结构的变形和构件的应力比在GB50017—2003《钢结构设计规范》允许值之内；最后利用MIDASGen细部分析功能对钢桁架梁现场焊接拼接节点在各工况下的受力特性进行分析。结果表明：上弦拼接节点的应力普遍大于腹杆和下弦拼接节点处的应力，上弦现场拼接节点最大压应力为154.1MPa，下弦现场拼接节点最大拉应力为47MPa。上弦拼接节点对结构的安全也相对起控Fx、Fy、制作用。在上弦现场拼接节点受力最大处，Fz引起的应力分别为141，6.7，6.3MPa，该节点主要受轴力作用。通过分析，其他现场拼接节点的受力也以轴力为主。根据上述计算分析并结合工程概况，提出了以下三种加固方案：
1）将不合格的焊缝熔掉，重新焊接。采用这种
图1Fig．1
工程概貌
Theproject
overview
方案必须在焊缝节点下方搭设支撑架，托住桁架梁，完成重新焊接。目前结构已完成屋面防水层的施工，结构自重大，支撑架必须拥有很大的承载力才能托住桁架梁，且结构地下部分为地下室，地下室顶板很难承受由支撑架底部传来的荷载。该方案不经济，且不能保证结构的安全性，所以排除这种方案。2）在工字钢梁上、下翼缘外侧对称贴焊钢板。施工时，需要将拼接节点处焊缝磨平，而且有些地方
图2Fig．2
屋盖三维模型
The3Dmodelofthe
roof
焊缝错位严重，钢板很难在两侧贴紧。现场桁架下弦上翼缘搭了一层脚手架钢管；压型钢板和桁架上弦杆的间距很小；这些因素增加了该方案施工难度。结合现场情况，判定该方案施工难度大，经济效益
●
现场拼接节点。现场拼接节点位置
图3
Fig．3
Locationofthein-situsplicingjoint
差，所以排除这种方案。
3）在工字钢梁左右两侧外边缘平行于腹板对称焊接钢板，使现场焊接拼接节点处工字形截面变成箱型截面，对该节点进行补强，使其满足承载力要求。在加固施工之前，根据现场实测尺寸大小定制钢板尺寸，由于现场工字钢梁腹板处没有障碍物，因此该方案实施起来比较简单。该方案具有施工便捷、经济效益好、施工周期短等优点，因此初步选择此方案。
29
22.1
加固设计
加固方案的选择
在提出加固设计方案之前，首先用MIDASGen
软件分析该结构在设计状态下的受力和变形，
确定
——叶张敏，等大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析—
2.22.2.1
具体加固方案节点加固设计
33.1
加固构件单元的数值模拟模型的建立
桁架梁上下弦杆和斜腹杆具体加固施工如图5所示。根据超声波无损探伤结果显示的焊缝缺陷长度，由等强连接原理计算拼接钢板长度L（不考虑焊缝缺陷处的强度且经MIDASGen计算发现焊接拼接节点处主要受轴向力作用）。拼接钢板厚度t与工字钢翼缘等厚，拼接钢板和原构件同为Q345B钢
。
为准确模拟构件的力学性能和反映焊接拼接节
点在后续施工阶段和使用阶段的应力水平，使用有限元分析软件对构件进行独立建模。参考MIDASGen计算分析结果发现：存在现场焊接拼接节点的构件主要受轴向力作用，且上弦杆件的应力水平远大于腹杆和下弦杆件。综合探伤检测报告，选取桁架梁上弦拼接节点处焊缝缺陷最大的杆件作为研究对象，用ANSYS软件对其数值模拟，分析加固前后该构件的承载力状况。
模型尺寸和边界条件如下：构件截面规格为HW390×300×10×16，杆件长度取节间距：2.65m，焊缝节点距离构件左端部1.8m，采用焊接拼接板加固。拼接板长度L为450mm，厚度t为16mm。根据构件受力特性，构件按简支梁考虑，在端部形成刚域并在形心位置施加相应约束，施加轴向压力（图7）
。
a—弦杆加固示意；b—斜腹杆加固示意。
图5
Fig．5
桁架梁加固示意
Thestrengtheningofthetrussgirder
图7Fig．7
模拟简图示意Simulation
diagram
2.2.2加固施工控制
所以采用了由于在加固之前钢梁有初始应力，
ANSYS软件对考虑初始应力的加固构件焊缝节点
［9］
的受力性能进行数值模拟，具体过程为：第一荷
“杀死”载步加固板单元，仅激活钢梁和焊缝单元，
为了保证加固过程中结构整体的安全性、提高
加固质量，在加固前需要做以下工作：1）搭支撑架并在支撑架上架设千斤顶。经过MIDASGen试算并结合地下室顶板的承载力大小，通过千斤顶给焊接拼接节点的两边施加10kN的力，以保证整个结构稳定的同时降低拼接焊缝处的应力，达到卸载的目的
［7］
加载至既定初始荷载；第二荷载步激活加固板单元，
继续加载至需要分析的工况下的荷载。钢梁、加固板和焊缝都采用三维实体单元Solid45。焊缝探伤检测报告显示钢梁拼接节点焊缝缺陷长度最大约为120mm，在杆件下翼缘且靠近截面中间位置，现场标记如图8所示。计算假定：不考虑有缺陷的焊缝强度，建立有限元模型时，将那段长度的焊缝去掉。钢材等级为Q345B，设其应力－应变曲线表现为理
。卸载后，上、下弦杆和腹杆的应力有所降
低，其中上弦应力下降比较明显，达到20%～30%，
应力比控制在0.2以内。2）确定加固拼接板的焊接加固流程
［8］
：先点焊固定拼接板，然后在箱型截
面四角对称施焊，焊接顺序如图6所示
。
注：按1—4顺序焊接。图6
Fig．6
拼接板焊缝焊接顺序
图8Fig．8
焊缝缺陷标记Welddefectmarking
Weldingsequenceofspliceplatewelds
30
工业建筑2017年第47卷第2期
想弹塑性，钢材的弹性模量和设计强度分别为206GPa和310MPa。单元网格划分如图9所示
。态下结构的受力状况。提取出几种不利工况下应力最大的加固杆件的两端外力（表2）。从表中可以看出：工况3为最不利工况。在工况3下，构件两端外力小于加固前、后极限荷载的模拟值，但是加固保证了构件的完整性。加固后，构件的承载力甚至超过了正常构件的承载力且避免了拼接节点发生局部失稳。从承载力和失稳方式考虑，加固后的构件受力
图9Fig．9
有限元网格划分示意
性能都有很大改善。
表2
Table2
工况序号1234
Thefiniteelementmeshingdiagram
不利组合工况
M1/（kN·m）－20.0－56.7－69.7－69.3
M2/（kN·m）1.02.73.23.4
3.2
模型分析
图10为设计极限荷载下加固前后构件的应力
Adversecombinationofcases
N/kN－433.0－1505.0－1859.8－1843.4
云图。当加载到3507kN时，未加固构件焊接拼接节点处的应力最大，应力集中明显，达到材料设计强度值；加固构件在荷载达到4108kN时，整个构件应力水平较高，多处截面应力接近材料强度设计值，但拼接节点截面处应力平均值相对较小，其中拼接节点翼缘处应力在145～230MPa，腹板处应力在250～280MPa，加固拼接板降低了焊接拼接节点处的应力水平，改善了拼接节点附近的应力集中现象，说明加固起到了明显的效果
。
施工工况
初始荷载
1.2D+0.6L+1.3Ex1.2D+1.4L+0.84Wx1.2D+1.4L+0.84Wy
M2分别为构件左右两端的弯矩，以构件下部受拉为正；注：M1、
D为恒载；L为活载；E为地震荷载；W为风荷载。
4现场监测结果及分析
关键部位杆件内力受施工过程影响较大，为保证
后续施工过程的安全进行，同时与有限元软件模拟值进行对比，验证加固后焊接拼接节点处构件的工作情况，有必要对关键部位处构件的内力进行监测。4.1
监测点的布置
参考MIDASGen计算结果和超声波探伤报告结果选择D轴左侧桁架上弦有焊接拼接节点的杆件作为监测对象。在该杆件某些重要部位布置应变计，具体
G2在加固之前布位置如图11所示。其中应变计G1、
置，为了监测焊接加固对构件残余变形的影响，其他
应变计在加固之后布置，监测后续施工阶段焊缝节点
a—加固前；b—加固后。
图10Fig．10
设计极限荷载下应力云图
MPa
Thestressnephogramunderultimateload
处的受力特性。现场监测设备布置如图12所示
。
后的设计荷载极限和轴向表1给出了加固前、
位移极限，对比之下，加固后的设计极限荷载有了较大提高，同时加固构件极限位移相对较小。加固后，构件的承载力有了较大提高。
表1Table1
构件加固前加固后正常构件
加固前、后设计构件极限荷载和位移Theultimateloadanddisplacementbefore
andafterstrengthening
极限荷载/kN
3507
41084055
极限位移/mm
5.3
3.93.8
a—加固构件；b—拼接节点截面；c—跨中截面。
图11Fig．11
应变计布置Layoutofstraingauges
用MIDASGen软件分析设计状参照设计资料，
——叶张敏，等大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析—
31
程曲线。该处的加固开始时间为12：58，结束时间
G2处的应变波动为14：19。这段时间内，测点G1、比较大，主要受焊接热输入的影响。加固后，随时间
推移，钢构件慢慢冷却，测点处应变值渐渐恢复，接G2处应变值分近原来的基点。在15：18测得G1、
－6
－5.2×10－6，别为－2.6×10、换算成应力分别为0.5，1.0MPa，焊接加固过程中，构件的残余应变比
图12
Fig．12
施工现场监测设备布置
Layoutofmonitoringequipmentontheconstructionsite
较小
。
4.2施工阶段的模拟数据
本文对该项目后续主要的施工阶段杆件的受力
特性进行数字模拟，并且与监控数据进行对比。该项目后续主要施工阶段包括：1）斜屋面浇筑细石混凝土；2）平屋面铺砂浆；3）斜屋面铺陶土灰瓦。MIDASGen提取的用于有限元计算的各施工工况下钢梁两端的反力如表3所示。虽然焊缝有缺陷，但在施工阶段，有缺陷的焊缝仍然有一定的承载力。为更加贴近实际情况，在此处建模时，不考虑焊缝的缺陷。
表3
Table3
序号0123
图13Fig．13
—◆—G2；—▲—G1。
G2处应变时程曲线焊接加固过程中测点G1、
Time-historycurvesofmeasuringpointsG1
andG2intheproceedingofweldingandstrengthening
4.3.2
各工况下梁两端反力
M1/（kN·m）－20.0
－26.4－29.1－30.7
M2/（kN·m）
1.0
1.21.31.4
N/kN－433.0－645.4－781.9－860.0
Ｒeactionsofgirderindifferentcases
后续施工阶段监测结果及分析
表4给出了不同施工阶段下各测点应变模拟值
施工阶段初始荷载
斜屋面浇筑细石混凝土平屋面铺砂浆
斜屋面铺陶土灰瓦
与监测值的对比。从表中可以看出：ANSYS模拟值与监测值的比值集中在0.96～1.18，仅个别监测点处模拟值与监测值的比值超出该范围，但两者间的差值不大。总体上，模拟值与监测值较为吻合，表明ANSYS模拟能较好地反映构件实际工作状况。在后续施工阶段，加固拼接板测点处的应变约为翼缘测点处应变的1/2，加固板分担了该节点处的部分压力，说明加固起到一定的效果。
4.34.3.1
施工过程监测结果与分析
焊接过程监测与分析
G2处的应变值时图13给出了焊接过程中G1、
表4
1阶段
监测值pa/10－654.425.323.926.824.7
不同施工阶段各测点应变模拟值和监测值
2阶段监测值pa/10－696.352.043.651.242.1
3阶段监测值pa/10－6108.665.752.862.455.3
Table4Thesimulatedvaluesandthemonitoringstrainvaluesofmeasuringpointsindifferentconstructionstages
测点G3G4G5G6G7
模拟值pe/10－662.630.630.130.630.1
模拟值pe/10－6102.450.549.550.549.5
模拟值pe/10－6121.463.160.763.160.7
pe/pa1.151.211.261.141.22
pe/pa1.060.971.140.991.18
pe/pa1.120.961.151.011.10
5
结束语
1）针对现场出现的结构问题，列举几种加固方
效果。
3）通过数值模拟，拼接节点在加固之前焊缝缺陷部位出现明显的应力集中，加固后改善了拼接节点处的受力性能，避免了焊缝缺陷部位因应力集中而首先屈服。
4）焊接加固过程中，离焊接部位较近处，截面应变波动大，由于只对个别构件进行监测，具体影
（下转）
工业建筑2017年第47卷第2
期
案，综合考量其适用性、经济性、可靠性等，最终确
定有针对性的最优加固方案。
2）对大面积焊接加固的结构，应采取一定的措
在实施（如搭设支撑架），保证施工过程的安全性，际条件允许的情况下，须对架构进行卸载，保证加固32
表3
Table3
Tmin
数值模拟0.818
简化公式0.793
误差/%3.1
数值模拟1.440
Topt简化公式1.379
误差/%4.2
数值模拟0.914
计算结果对比
PCmin简化公式0.935
误差/%2.3
数值模拟1.141
PCmax简化公式1.178
误差/%3.3
数值模拟1.069
CP2opt
Comparisonofthecalculationresults
简化公式1.101
误差/%3.0
PC中心压杆极因此为无量纲。Topt（0）表示在无初始荷载作用时，注：数值模拟结果与简化公式计算结果均以Topt（0）、max（0）的系数形式给出，
限承载力最大时的预拉力值，即最佳预拉力值；PC中心压杆在最佳预应力作用下的极限承载力。max（0）表示在无初始荷载作用时，
2015．
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5结束语
本文对有初始荷载的钢压杆采用预应力加固的
方法建立计算模型进行数值分析，通过对大量数值计算结果分析研究，得到有初始荷载钢压杆采用预应力加固后的预应力－极限承载力关系曲线，并得到曲线的三阶段特征曲线及其特征点；通过对预应力－中点位移关系曲线的分析，得到三阶段失稳状态下预应力钢压杆的失稳模态；通过对大量数值计算结果的拟合得到有初始荷载作用的预应力加固钢压杆极限承载力的简化计算方法。
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（上接）
响的范围和幅度有待继续研究；由于采取了合理焊
接方式和焊接顺序，焊接过程中残余应变的影响较小，基本满足工程的要求。
5）在施工过程中对构件进行监测，分析发现监测数据与有限元软件模拟数据吻合较好，说明有限元软件模拟值能较准确反映结构实际受力情况。同时也证明了该加固方案的合理性和可靠性，为类似工程的加固设计提供参考。
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工业建筑2017年第47卷第2期
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大跨度钢桁架梁焊接拼接节点加固设计及监测分析_叶张敏

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叶张敏
完海鹰
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