整理pe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.docx

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整理pe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

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：

wanhy8858@163．com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%，