某大跨桁架加固及節(jié)點分析研究

趙 軒 陳夕飛

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司,， 重慶 401122)

摘 要：焊縫連接在鋼結(jié)構(gòu)工程中應用廣泛,。傳統(tǒng)設計假定焊縫應力在有效截面上分布均勻，但實際上焊縫存在嚴重的應力集中及應力分布不均勻的現(xiàn)象,。如果設計中不考慮焊縫單元的節(jié)點分析,，與實際情況會存在一定程度的誤差。以某大跨42 m桁架加固實例為分析對象,，詳細介紹了桁架的加固設計,，并采用有限元軟件ABAQUS對節(jié)點進行分析。

關(guān)鍵詞：桁架加固,； 有限元分析,； 應力集中； 焊接節(jié)點

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)的連接在工程中有非常重要的作用,，鋼結(jié)構(gòu)連接的好壞會直接影響鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量和安全,。焊縫連接因其具有連接剛度大、削弱截面小,、整體性好,、施工方便、適用性廣等優(yōu)點而在工程中得到廣泛應用,，是當前鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方式[1],。無論是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固還是節(jié)點加固，焊接方式都是不可或缺的重要手段。GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中使用傳統(tǒng)的二維計算方法,，對焊縫的設計做出了規(guī)定：理想地假定有效截面上應力均勻分布,，并且不分抗拉、抗壓或抗剪都采用同一強度設計值[2],。在以往的有限元計算模型中,，也常常將焊縫簡化并忽略。事實上,，起到連接作用的焊縫在工作中存在嚴重的應力集中,，應力分布非常不均勻，對焊縫單元進行簡化或忽略分析,，會造成分析結(jié)果的偏差,。以角焊縫為例，焊縫應力隨長度方向分布不均勻,，應力最大值出現(xiàn)在端頭,，存在明顯的應力集中現(xiàn)象，當焊腳高度相同時,，焊縫越長,，應力分布越不均勻。本文以某大跨42 m桁架為例,，對桁架進行加固研究及設計,，并對加固焊接節(jié)點進行有限元分析。

1 工程概況

該工程為某煉鋼廠內(nèi)一條管道通廊,，位于廠房東部端部位置,，通廊寬度7 m，通廊跨度分別為42,，39,，32，24,，21 m,，通廊由兩片豎向桁架及兩片水平桁架(豎向桁架上、下弦桿之間)組成,。因業(yè)主要求需在現(xiàn)有桁架上增加管道,，且管道數(shù)量較多。其增加荷載前局部平面示意見圖1,，某豎向桁架構(gòu)件見圖2,，水平桁架節(jié)間距為6 m(即上下弦桿水平方向側(cè)向支撐點間距為6 m)，構(gòu)件截面規(guī)格見表1,，所有鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)均為Q235B,。該地區(qū)抗震設防烈度為8度 0.2g,，場地類別為三類場地，基本風壓為0.40 kN/m2,。根據(jù)現(xiàn)有桁架受力情況,，豎向桁架承擔墻架和管道的豎向荷載，水平桁架承擔墻架的水平風荷載及管道水平推力,。

1—廠房柱,；2—水平桁架；3—豎向桁架,。
圖1 管廊局部平面

注：1～10為構(gòu)件編號,。
圖2 增加荷載前某豎向桁架構(gòu)件

建立桁架計算模型，考慮豎向地震作用及節(jié)點剛性產(chǎn)生的次彎矩[3],，經(jīng)過電算,，增加荷載之后桁架構(gòu)件內(nèi)力見表2。與現(xiàn)有桁架(增加荷載之前)構(gòu)件內(nèi)力對比見圖3,。從對比來看,，增加荷載前后構(gòu)件內(nèi)力增幅最大為87%,，大部分構(gòu)件內(nèi)力增幅為40%左右,。經(jīng)驗算，桁架桿件存在較多應力不足,，需對現(xiàn)有桁架進行加固,。

表1 增加荷載前桁架構(gòu)件截面規(guī)格

編號構(gòu)件截面規(guī)格編號構(gòu)件截面規(guī)格1HW414×405×18×286TN200×200×8×132HW414×405×18×287HW200×200×8×123TM195×300×10×168HW200×200×8×124TN200×200×8×139WH200×200×6×85TN200×200×8×1310WH200×200×6×8

表2 增加荷載后桁架構(gòu)件內(nèi)力統(tǒng)計

編號軸力/kN彎矩/(kN\5m)編號軸力/kN彎矩/(kN\5m)編號軸力/kN彎矩/(kN\5m)1613027258105879042257802496470195713531692107116053106016411508

注：上弦桿1已疊加水平荷載產(chǎn)生的桿件軸向力。

圖3 桁架增加荷載前后構(gòu)件軸力對比

2 桁架加固研究

2.1 構(gòu)件加固

根據(jù)CECS 77∶96《鋼結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)程》及現(xiàn)場情況,，考慮現(xiàn)場加固施工的可操作性,，對桁架上弦桿同時采用增加截面法及增加平面外支撐加強剛度法(在原水平桁架節(jié)點之間增加支撐桿件，將水平支撐間距由6 m改為3 m),，對其他構(gòu)件采用增加截面法,。加固后截面形心軸有所改變，考慮形心軸偏移,，桁架計算高度增加117 mm,，上弦桿與腹桿交點偏心109 m，見圖4,。重新建立桁架計算模型,，計算桁架內(nèi)力并復核。

1—加固前截面形心軸,；2—加固后截面形心軸,；3—上弦桿。
圖4 加固后桁架節(jié)點形心軸示意

2.2 節(jié)點加固

桁架加固設計首先需計算現(xiàn)有桁架在增加荷載之后內(nèi)力,，同時根據(jù)規(guī)范要求判定是否需要考慮節(jié)點剛性引起的次彎矩,，其次需對加固后桁架幾何尺寸復核并進行內(nèi)力計算,，最后需按調(diào)整后桁架內(nèi)力進行構(gòu)件驗算。

由于現(xiàn)有桁架節(jié)點直接采用未增加節(jié)點板的焊接方式,，且現(xiàn)場存在幾處節(jié)點焊縫開裂(業(yè)主已進行焊縫補強處理),。本次加固采用增加節(jié)點板，加大構(gòu)件連接的焊縫強度,，其最終節(jié)點加固如圖5所示,。加固施工前，需對現(xiàn)有管廊中管道液體排空,，盡可能降低加固過程中桁架桿件的內(nèi)力,，加固前、后節(jié)點現(xiàn)場實際照片見圖6,。

圖5 節(jié)點加固大樣

a—加固前,；b—加固后。
圖6 加固前后桁架節(jié)點對比

3 節(jié)點有限元分析

3.1 有限元模型

在以往的有限元分析模型中,，常常重點關(guān)注節(jié)點整體構(gòu)造形式,，而忽略角焊縫單元的存在，即兩構(gòu)件之間直接剛性連接成一體,，如圖7a所示,。桿件之間通過豎向的公共結(jié)點3、6,、7(組成面1)整體受力,。考慮角焊縫單元存在時,，需采用實體單元以及相應焊條材料屬性來模擬角焊縫單元,，如圖7b所示，水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件之間事實上不連接,，之間存在很小的間隙[4],，水平構(gòu)件通過結(jié)點3′、4,、5(組成面2)與焊縫單元連接,，焊縫單元通過結(jié)點1、2,、3(組成面1)與豎向構(gòu)件連接,。這樣，作用水平構(gòu)件的力通過焊縫單元的結(jié)點傳遞至豎向構(gòu)件,，此時,，面3與水平構(gòu)件之間沒有公共結(jié)點。

a—不考慮焊縫單元;b—考慮焊縫單元,。 注：數(shù)字為結(jié)點編號,。
圖7 模型示意

考慮材料的非線性特性在有限元軟件中采用多線性隨動強化(MKIN) 塑性材料,。

圖8 節(jié)點力學模型

結(jié)合實際工程情況和節(jié)點的受力狀態(tài)，建立如圖8所示的邊界條件及加載方式[5],。弦桿左邊界按固定端考慮,，右邊界采用鉸接支座，腹桿主要承受軸力和彎矩,。腹桿和弦桿均由兩相交桿件的根部開始外伸節(jié)點間距離一半,，以消除端部加載條件對節(jié)點區(qū)域的影響，圖8中軸力及彎矩值見表2,。加載方式為僅在腹桿末端結(jié)點上均勻施加沿桿件軸向的荷載及次彎矩,，荷載數(shù)值由零逐漸增加到表2中數(shù)值。3.2 節(jié)點分析

ABAQUS是一套功能強大的工程模擬有限元軟件,，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題[6],。利用通用有限元軟件ABAQUS建立桁架節(jié)點有限元模型。模型采用精細化的實體單元建模,，考慮桁架節(jié)點構(gòu)件截面及尺寸,，選擇使用C3D8或C3D8R單元。不考慮焊縫單元的節(jié)點模型直接將構(gòu)件采用剛性連接,，形成一個整體,，而考慮焊縫單元的節(jié)點模型在構(gòu)件相接區(qū)域以及所有焊縫實體均進行網(wǎng)格加密處理，其節(jié)點整體模型見圖9,，焊縫與構(gòu)件局部關(guān)系見圖10,。

圖9 節(jié)點整體有限元模型

圖10 考慮焊縫單元有限元局部模型

3.2.1 是否考慮焊縫單元節(jié)點對比分析

分別建立不考慮焊縫單元的節(jié)點和考慮焊縫單元的節(jié)點,，進行對比分析,，應力云圖如圖11所示，兩個節(jié)點中桿件的應力分布基本一致,，但桿件存在較大的應力集中,，局部已經(jīng)出現(xiàn)屈服。構(gòu)件節(jié)點區(qū)以外部分應力與桁架構(gòu)件應力基本上一致,。圖5中板A和板B的整體應力較小,，可適當減小板厚。對比焊縫處應力,，原設計中斜桿與弦桿連接的角焊縫已全部屈服,，見圖12。

a—不考慮焊縫單元,；b—考慮焊縫單元,。
圖11 節(jié)點整體應力對比云圖 MPa

圖12 節(jié)點焊縫局部應力云圖 MPa

3.2.2 考慮焊縫單元節(jié)點細部分析

對圖5中焊縫A進行細部分析，其焊縫應力如圖13a所示,，焊縫在節(jié)點端部存在較大的應力集中,，其最大應力已達到焊縫材料的屈服強度,，增加桿件荷載至表2中荷載的1.2倍，其焊縫應力云圖如圖13b所示,，較多焊縫區(qū)域已出現(xiàn)材料屈服,。

a—1倍荷載;b—1.2倍荷載。
圖13 焊縫A應力云圖 MPa

為了確定合理的節(jié)點尺寸,，即圖5中h的數(shù)值及焊縫的合理高度hf,，本文采用改變h數(shù)值及hf的高度，進行36組節(jié)點驗算,，并取焊縫A的平均應力作為控制指標,，其統(tǒng)計結(jié)果如圖14所示。

圖14 焊縫A應力隨焊縫長度及焊腳尺寸變化曲線

從以上36組有限元對比分析來看,，對焊縫A的合理參數(shù)建議取焊腳尺寸hf為12 mm,，h為 600 mm，以保證焊縫A的整體平均應力為147 MPa,。

4 結(jié) 論

1)桁架桿件加固勢必影響桿件的形心,，使桁架的計算高度等幾何尺寸有變化，設計中需考慮其影響,。

2)焊接剛性桁架需考慮節(jié)點剛性的影響,，計算中需考慮桁架構(gòu)件彎矩，構(gòu)件不再是單純的軸向受力構(gòu)件,，應考慮為壓彎或拉彎構(gòu)件,。

3)通過考慮焊縫單元的有限元分析，鋼結(jié)構(gòu)焊縫均存在應力集中,，應力沿長度方向分布不均勻,，如果忽略焊縫單元，其分析結(jié)果存在一定的偏差,，只能反映構(gòu)件的受力狀況,，不能反映焊縫的真實受力狀況，不能完全滿足節(jié)點設計的要求,。

4)有限元網(wǎng)格的尺寸和劃分方式對焊縫的模擬有較大的影響,。本文對焊縫單元采用較密的網(wǎng)格，對節(jié)點區(qū)以外的有限元網(wǎng)格適當放寬,，基本上可以滿足分析的精度要求,。

5)節(jié)點中，需適當增加加勁板以減少弦桿的應力集中現(xiàn)象,。

參考文獻：

[1] 夏志斌,，姚諫.鋼結(jié)構(gòu)原理與設計[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2008

[2] 李星榮,，魏才昂,，丁峙,，等. 鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設計手冊[M].2版. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[4] 魏群,，趙乙軻. 考慮焊縫單元的鋼節(jié)點有限元計算方法[J]. 華北水利水電學院學報,，2010,13(6)：6-10.

[5] 陳譽，彭興黔．空間KK型雙弦桿圓鋼管搭接節(jié)點有限元參數(shù)分析與極限承載力計算公式[J]．建筑結(jié)構(gòu)學報,，2007,，28(3): 37-45.

[6] American ABAQUS Inc. Analysis User’s Manual of ABAQUS Volume Ⅲ: Materials [M]. USA:American ABAQUS Inc.，2006.

RESEARCH ON THE STRENGTHENING TECHNOLOGY OF A LONG-SPAN TRUSS AND ITS JOINT ANALYSIS

Zhao Xuan Chen Xifei

(CISDI Engineering Co.Ltd, Chongqing 401122, China)

ABSTRACT：Welding connection has been widely used in steel structure engineering. The traditional design method assumed that stress uniform distribution on effective cross-section. In fact, welding seam exists serious stress concentration and non -uniform distribution. It is possible to produce error without considering the joint analysis of welding seam element. Based on a reinforcement project of a long-span 42 m truss, the reinforcement design of truss was introduced in detail, and the joint analysis was also conducted by ABAQUS.

KEY WORDS：truss strengthening; finite element analysis; stress concentration; welded joint

第一作者：趙軒,，男,，1979年出生，高級工程師,，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師,。

Email：[email protected]

收稿日期：2016-05-20

DOI：10.13206/j.gjg201610007