在役大跨度鋼結構節點不卸載補強研究

唐 蓉， 張光輝， 朱 浩

(武漢理工大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢 430070)

某屋蓋主體鋼結構(圖1)主要分為五個部分：屋面脊線主梁、墻面脊線主梁、屋面板片次梁、墻面板片次梁和樹狀結構支撐。樹狀支撐半球支座總共14個，本工程主體鋼結構采用Q345B材質，用鋼量約為3860 t。樹狀支撐半球節點由半球支座和耳板組成，耳板上焊有加勁板及環形貼板，耳板與連接桿件采用銷軸連接。

圖1 屋蓋主體鋼結構

1 鋼結構半球節點現狀分析

該鋼結構屋蓋主體工程已經完工，鋼結構半球節點處于在役狀態。運用有限元分析軟件ANSYS[1]，采用Solid92單元，考慮材料非線性[2]，耳板厚度50 mm，屈服應力265 MPa，彈性模量210 GPa，切線模量1.45 GPa[3]。模型以及單元劃分如圖2所示。各軸向力換算成按余弦函數規律分布的面荷載沿耳板及環向貼板內柱面加載到模型上，模擬銷軸荷載的傳力特點，如圖3所示。模型約束設在節點底面，約束三方向的平動自由度。

圖2 節點有限元模型

圖3 耳板及環向貼板加載

通過對結構上部網架鋼結構整體模型進行施工過程模擬，提取當前使用狀態下鋼結構半球節點連接桿件的內力，其值為F桿1=-2961.73 kN，F桿2=-1559.95 kN，F桿3=46.81 kN，F桿4=-1919.22 kN，采用前述加載方式將其加載至相應位置，重點關注鋼節點耳板上5個區域的應力水平(如圖4所示)。計算結果見表1中補強前當前荷載作用下等效應力值，結果表明在當前使用狀態下鋼結構半球節點處于安全狀態[4]。

圖4 關注區域分布

但現階段鋼結構屋蓋承受的荷載并不是結構承受的最不利荷載。在最不利荷載條件下，鋼結構半球節點連接桿件的內力會更大，該鋼節點可能存在一定的安全隱患。當鋼屋蓋荷載組合取最不利工況時，鋼結構半球節點各連接桿件的軸向力最大值分別為F桿1=-4852.01 kN，F桿2=-2443.92 kN，F桿3=157.68 kN，F桿4=-3366.27 kN，采用前述加載方式將其加載至相應位置，重點關注鋼節點耳板5個區域的應力水平，見表1中補強前最不利荷載作用下等效應力值。從表中可以看出，在最不利荷載狀態下部分區域的應力水平超過了Q345鋼材的屈服強度，節點耳板存在一定的安全隱患，需對此區域采取補強措施。

2 鋼結構半球節點補強分析

鋼結構半球節點補強采用不卸載[5]狀態下對該鋼結構半球節點應力較大區域直接粘貼鋼板的補強方法。采用這種補強方法是由于屋蓋主體鋼結構跨度大[6]，鋼結構半球節點連接桿件承受較大荷載，如果采用卸載后補強的方法，補強代價過大。同時在受荷狀態下該鋼結構節點不能焊接[7]，只能通過結構膠在鋼結構半球節點應力較大區域粘貼鋼板補強[8]。

補強結構為30 mm異型加強鋼板，根據有限元分析確定的鋼結構半球節點耳板需補強區域，異型加強鋼板設置在環形貼板與加勁板之間，加強板與環形貼板和加勁板接觸面刨平頂緊。補強示意圖如圖5。

圖5 補強結構

在原鋼結構半球節點有限元模型基礎上建立加強鋼板模型，加強鋼板有限元模型采用Solid92單元，考慮材料非線性，屈服應力295 MPa，彈性模量2.1 GPa，切線模量1.45 GPa[3]，加強鋼板模型與節點模型邊界連續。根據補強前后鋼結構半球節點受力狀態的變化過程，運用有限元分析軟件ANSYS的生死單元技術[9]，模擬鋼結構半球節點在當前使用狀況下單獨受荷時的應力狀態；然后將加強板模型激活，同時加載鋼結構節點連接桿件最不利荷載，最終得到鋼結構節點和加強板在最不利荷載狀態下共同工作時的狀態。

鋼結構半球節點補強模型的計算結果仍關注如圖4所示5個區域的應力水平，同時關注最不利荷載狀態下加強板對應區域的應力，節點補強模型計算結果見表1。從表中可以看出：(1)在當前使用狀態下鋼結構半球節點耳板5個區域的應力水平較低，當前狀態下鋼結構半球節點是安全的；(2)補強后鋼結構半球節點耳板5個區域在最不利荷載狀態下的最大應力為239.825 MPa，應力水平控制在Q345鋼材屈服強度以下；(3)相比補強前鋼結構半球節點耳板各區域的等效應力減少幅度為24.5%～36.3%，補強區域等效應力下降顯著；(4)補強后加強板對應的5個區域在最不利荷載狀態下應力水平為100 MPa左右，在Q345鋼材屈服強度以下，加強板承受了一定的荷載，有效降低了耳板的應力水平。

表1 補強前后關注區域等效應力

3 結 語

從有限元分析結果可以看出，節點補強區域的應力水平明顯降低，不卸載補強起到了很好的效果，是可行的。不卸載補強的方法具有對于原結構的破壞更小，補強周期短，施工方便，耗費低等特點，在鋼結構補強領域是一種比較新穎的補強方式，具有廣闊的應用前景。

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