方鋼管斜撐焊縫斷裂原因分析及加固

杜振宇 鄭 粵 羅 崢,,* 齊振東

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,西安 710055; 2.西安建筑科技大學建筑設計研究院,西安 710055)

0 引 言

在建筑結構領域,鋼結構由于其擁有較好的承載能力及耗能特性被廣泛應用。但在工業建筑當中存在很多偶然因素導致鋼材構件在角部焊縫連接處發生破壞。因此,在有限條件下,能夠利用有限元分析找出問題原因所在顯得尤為關鍵。在有限元分析中,黏聚力模型大都是用來模擬復合材料分層破壞時所使用的,可以預先設置部件的開裂路徑使其能按照預期發生破壞。本文以工程實例為前提、方鋼管斜撐為研究對象,通過采用Cohesive單元在焊縫部位進行預設裂縫,成功模擬出了鋼斜撐在復雜受力條件下沿焊縫方向發生的開裂現象,并找出導致構件破壞的原因,有效地解決了工程問題。

1 工程概況

某廠改建空冷機組設施,空冷風機設置于空冷平臺上,下部空冷島選用“鋼筋混凝土管柱+鋼梁+方鋼管斜撐”結構體系。該結構體系下部為鋼筋混凝土薄壁管柱,管柱四周設置斜撐,中部為實腹式鋼梁,整體結構見圖1。

圖1 整體結構模型Fig.1 The whole structure model

其中鋼斜撐截面形式為箱型組合截面500 mm×500 mm×20 mm。在空冷機組投入生產運行7個月后,工作人員發現其中118根斜撐密封板未完全密封,86根底部存有約3 m高積水,48根鋼斜撐角部焊縫發生開裂并產生了較大的屈曲變形,開裂情況如圖2所示。嚴重威脅空冷島和下方變壓器設備的生產安全。為排除安全隱患,需對斜撐進行焊縫斷裂原因分析和修復加固。

圖2 鋼斜撐角部焊縫開裂Fig.2 Angle welding crack of steel brace

2 開裂影響因素

通過采用Sap2000軟件對結構整體進行內力計算,得出鋼斜撐應力比計算結果,見圖3。由圖可知最大應力比為0.79,大部分桿件應力比均在0.6以下,表明鋼斜撐構件設計合理。

圖3 鋼斜撐應力比 Fig.3 The stress ratio of steel brace

對鋼支撐現場進行調查后,發現構件開裂部分焊縫為半熔透焊,與所設計的全熔透焊并不相符(參考圖2),說明鋼斜撐角部焊接存在嚴重的施工問題。

綜合考慮后得出可能導致鋼支撐開裂的影響因素如下:

(1) 現場鋼支撐底部存在較多積水,冬季低溫導致積水結冰從而體積膨脹,鋼支撐內部產生較大的橫向正應力和切應力,并且鋼板局部外鼓變形,使得支撐在原本軸向受力的情況下產生了二階應力,降低了構件受力性能。

(2) 斜撐鋼板之間的角部焊縫按設計要求應為全熔透焊,但因焊接施工存在嚴重質量問題,導致焊縫為半熔透,正截面在焊縫處產生削弱,降低了斜撐構件承受橫向應力的能力。

(3) 當地冬季天氣寒冷,與施工季節溫度相比形成較大溫差,致使構件產生了較大的溫度應力。

(4) 在焊縫附近的熱影響區內,鋼材局部材質變脆,對裂紋敏感,局部一旦產生裂紋,容易擴展到整體,在低溫時,冷脆問題更為凸顯。

3 有限元分析

本文采用有限元軟件ABAQUS模擬鋼支撐在正常受力以及附加溫度應力、附加積水冰脹作用和考慮所有影響因素四種工況下的受力性能,并且將鋼支撐焊縫改為全熔透后再在同樣兩種條件下進行分析,對比兩者之間的差異。

3.1 模擬方法及單元模型

由于支撐裂縫均是因焊材與母材剝離所產生的縱向開裂,所以本次模擬采用Cohesive單元[1]對構件進行預設裂縫,單元厚度設置為1。Cohesive單元模型采用如圖4所示的雙線性本構模型[2],初始損傷前材料處于線彈性階段,損傷開始后材料剛度按線性退化,直至達到破壞位移,單元失效[3]。

圖4 雙線性本構模型Fig.4 Bilinear constitutive model

單元初始損傷選用二次名義應力準則Quads Damage,當各個方向的名義應力比的平方和等于1時,單元即達到了損傷起始所需的應力狀態,損傷開始[4]。

(1)

損傷演化基于位移控制,當單元達到破壞位移后單元自動刪除,裂縫開始產生。

3.2 模型建立

由于水結冰時體積向各方向膨脹,對支撐鋼板施加了不可忽略的平面外應力,因此無論是冰還是鋼支撐均采用實體單元模擬,各材料及粘結單元材料力學參數設置如下:

Q235鋼:彈性模量E=2.06×105N/mm2,泊松比ν=0.3,線膨脹系數α=1.2×10-5。

冰:彈性模量E=5.3×104N/mm2,泊松比ν=0.3,線膨脹系數α=3.228×10-3[6]。

冰與鋼板間的接觸屬性定義為硬接觸,假定水結冰膨脹時與鋼板無任何摩擦,不設置切向行為,當接觸面應力變為正值或0時,兩接觸面發生分離。

模型尺寸與邊界條件均根據實際情況進行建立,模型正截面與整體模型如圖5所示。

圖5 模型示意圖Fig.5 Model sketch map

3.3 有限元分析

計算模型附加溫度應力作用時,溫度變化按+25 ℃到-25 ℃考慮。施加恒載選取以軸力最大為控制內力時的內力組合,具體數值如表1所示。

表1Nmax截面控制內力組合

Table 1 Internal force combination that Nmax is control internal force

本次計算采用隱式分析,分為兩個分析步,分析步1施加恒載并考慮溫度由+25 ℃到0 ℃變化所產生的溫度應力,分析步2附加冰脹作用并考慮溫度由0 ℃到-25 ℃變化所產生的溫度應力。經過計算分析得出鋼支撐在半熔透焊和全熔透焊情況下的應力分析云圖和支撐角部焊縫損傷起始沿長度方向的變化規律,為方便觀察,取支撐開裂部位如圖6所示(其中應力分析云圖變形放大系數為5)。

圖6 支撐應力分析云圖及焊縫損傷變化規律Fig.6 Steel brace mises stress nephograms and damage change rules of fillet weld

從圖6可以看出半熔透焊支撐考慮全部影響因素后在斜撐長度方向0.2～1.5 m高度范圍內角焊縫損傷起始判據系數已達到了1,單元進入損傷并隨后構件沿角部焊縫產生了縱向開裂,鋼板屈曲變形較大。開裂后造成鋼板局部應力增大,所受應力近乎達到鋼材本身的屈服強度,支撐構件整體工作性能有所降低。而全熔透焊支撐在同樣受力條件下并未開裂,焊縫處于彈性階段且構件變形很小,工作性能良好。

為進一步找到造成半熔透焊支撐開裂的主要影響因素,對支撐模型進行了4種不同工況組合下的受力分析,并在后處理模型中讀取模型開裂處同一cohesive單元的Mises應力和Quads損傷起始判據系數,得出單元在各工況下的數據計算結果如表2所示。

表2各工況下開裂處單元計算結果

Table 2 The calculation results of element of cracking area in each work condition

表2結果顯示,溫度應力相較于冰脹作用對焊縫的損傷起始影響程度是很小的,這是由于鋼材本身線膨脹系數較小且正截面環向收縮,并沒有明顯改變焊縫原本的受力狀態。而積水結冰膨脹系數較大且冰具有一定的剛度,焊縫在承受軸向壓力的同時,又被附加了難以忽視的平面外剪應力、橫向拉應力和相鄰鋼板外鼓所產生的彎矩,使焊縫單元受力變得更加復雜[9]。

3.4 開裂原因分析

根據有限元分析結果可以看出,鋼支撐正常受力時本身所承受的應力并沒有超出材料承載能力范圍,并且還留有較大的冗余,說明支撐在鋼板為半熔透焊縫連接條件下進行正常受力是沒有問題的。

在半熔透焊縫支撐模型中,灌入積水后結冰膨脹使焊縫單元Quads損傷起始判據系數達到了1,焊縫進入損傷并開始剛度退化,說明積水結冰是半熔透焊縫支撐在底部產生開裂的主要原因。

考慮了鋼材因溫度降低而產生的收縮影響因素后,焊縫的Quads損傷起始判據系數并沒有明顯的增加,說明溫度應力對支撐開裂并沒有顯著的影響,可以忽略不計。

在考慮了所有不利因素后,全熔透焊縫支撐沒有發生開裂,說明如果沒有施工質量問題,按原本設計要求進行施焊的話,支撐是不會發生開裂現象的。

4 支撐加固方案

根據現場檢測結果和有限元模擬分析,斜撐角部焊縫開裂已嚴重影響了空冷機組結構平臺的受力性能和生產運行安全,必須對所有斜撐進行加固處理。在得知開裂原因后,確定以下處理方案。

4.1 斜撐屈曲部位加固方法

對于角部焊縫已經開裂并發生屈曲的部位,在進行焊接加固前為防止裂縫進一步擴展,需在屈曲部位兩端采取臨時抱箍加固,所用鋼板箍鋼板與加勁板均厚16 mm,板箍采用8.8級M24普通螺栓進行連接,具體加固方法見圖7。

抱箍完成后選用L140×16角鋼對斜撐角部進行焊接加固,角鋼長度按照抱箍間距選取,焊接完成后拆卸鋼板箍,在原抱箍位置用長度為180 mm角鋼焊接,焊接時與相鄰角鋼保持10 mm間距,焊接大樣如圖8所示,之后再用截面為400×16的鋼板將各角鋼焊接成一體,以增強斜撐屈曲部位在進行加固處理后的整體性。

4.2 斜撐未屈曲部位加固方法

對于未發生屈曲以及還未產生開裂的斜撐,也需要在原有基礎上進行構件加固。焊接加固構件仍選用 L140×16角鋼,角鋼長度與斜撐未屈曲部分同長即可,角鋼之間無須再用鋼板進行連接,焊接大樣見圖9。

圖7 抱箍加固示意圖(單位:mm)Fig.7 Hoop reinforcement diagram (Unit:mm)

圖8 屈曲變形部位焊接大樣(單位:mm)Fig.8 Welding detail drawing of deformation area (Unit:mm)

圖9 未屈曲變形部位焊接大樣(單位:mm)Fig.9 Welding detail drawing of undeformed area (Unit:mm)

4.3 焊接工藝

預熱溫度:150 ℃,對屈曲部位角鋼施焊時,因焊件較短,采用分中對稱焊法,由中心向兩端一次焊完;對未屈曲部位施焊時采用多段退焊法;焊接工作完成后進行后熱消氫處理,后熱溫度及時間為250 ℃和2 h。

4.4 焊縫要求

本加固工程要求所有焊縫檢測質量為二級,為保證焊接質量,在所有焊接工作完成后應對全部焊縫進行滲透檢測。

4.5 耐久性維護

4.5.1積水處理

逐一檢查斜撐積水情況,通過底部鉆孔排干積水,并用壓縮空氣吹干內表面。加固前在已開裂焊縫處用墊板堵塞并進行密封焊,鋼斜撐上端封板四角孔洞進行貼焊封閉,防止積水再次流入。外包角鋼安裝后,角鋼內側縫隙用I型水泥基灌漿材料由下至上壓力灌注封堵縫隙,對于無法用灌漿處理的鋼板縫隙用30 ℃～60 ℃瀝青油膏封閉。

4.5.2構件防腐

所有加固所用的鋼構件均在工廠內采用冷噴鋅防腐,噴鋅干膜厚度不小于80 μm,密封膜厚度不小于20 μm[10]。

5 結 論

本文根據工程實際現場調查情況,采用ABAQUS黏聚力模型對鋼支撐在半熔透焊和全熔透焊條件下進行模擬分析,通過查看支撐模型在不同工況下的工作性能,得出以下結論:

(1) 以二次名義應力準則作為損傷起始判據對鋼材進行斷裂模擬,在多種工況作用下分析出了方鋼管斜撐焊縫斷裂的原因,采用黏聚力模型對此類斷裂問題進行分析是十分有效的。

(2) 半熔透焊鋼斜撐在正常受力下以及考慮溫度應力時工作正常,在考慮積水冰脹作用后發生開裂。通過觀察積水高度范圍內焊縫損傷起始變化規律,發現變化曲線在縱軸方向總是呈現中間高兩邊低的走勢。表明方鋼管在積水結冰凍脹影響下,裂縫是在積水中間偏下部位最先產生然后向兩邊進行擴展的。

(3) 焊縫發生斷裂以后,鋼板發生外鼓,變形較大處應力陡增。在無法卸載的情況下進行加固時,裂縫斷裂兩側的鋼板屈曲部位使用鋼箍進行校正后采用要外包角鋼貼焊,較好地對支撐進行了加固。