銹蝕鋼牛腿節點加固受力性能的有限元分析

方鄆龍，郁有升

(青島理工大學 土木工程學院，青島 266525)

由于鋼結構具有輕質高強、延性及韌性好、耗能能力強、工業裝配化程度高、造型美觀等優點[1]，已被廣泛應用于工業和民用建筑。由于設計不合理、施工不當、使用環境惡劣、結構使用功能改變等各種因素，使結構的承載能力受到影響，需要對其進行加固[2]。目前國內外常用的加固方式有貼焊或粘貼鋼板、外包角鋼、碳纖維布加固等[3-4]。KIM等[5]對蓋板加固鋼框架節點和翼緣板加固的鋼框架節點分別進行試驗研究和有限元分析，研究結果表明采用蓋板加固和翼緣板加固均能有效地提高梁柱節點的承載力；蓋板加固在防止節點發生脆性破壞方面效果更顯著，矩形板加固效果比梯形板好。LIU等[6-7]通過試驗研究和有限元分析，對不同參數下(包括預應力大小、鋼梁跨度、初始缺陷等)的W形鋼梁進行了研究，結果表明，水平預應力越大，鋼梁屈曲荷載越小；增大鋼梁的跨度、減小初始缺陷都有利于提高梁的承載能力。蔣立等[8-9]設計了72個未加固和加固的鋼柱進行模擬分析，得到了影響加固構件承載力和焊接殘余變形的主要因素，為焊接加固壓彎構件設計計算方法提供了參考和依據。施澄宇[10]對鋼結構廠房進行了加固改造設計，采用了增大截面法加固了吊車梁和鋼牛腿。王士奇[11]通過對鋼結構廠房進行優化加固設計，在保證承載力和剛度滿足要求的前提下，大大減少了用鋼量。

鋼牛腿作為廠房中常見的承重構件，承受著上部吊車梁體系傳來的荷載，是工業廠房的重要受力構件。鋼牛腿及節點域處銹蝕會導致其承載力下降，給廠房的安全生產帶來隱患。因此，研究銹蝕對鋼牛腿的影響以及銹蝕后的加固是非常有必要的。基于此，本文針對鋼牛腿節點處嚴重銹蝕導致承載力不足的問題，分別提出了4種不同的鋼牛腿和節點域加固方案。為研究不同加固方案及參數影響下鋼牛腿節點的加固效果，文中通過有限元軟件ABAQUS來分別對銹蝕前后以及不同加固方案及參數下的鋼牛腿節點進行有限元模擬，通過比較分析，選出合理的加固方案和參數取值范圍。

1 工程概況

1.1 工程介紹

某單層重鋼工業廠房建筑高19 m，跨度24 m，鋼牛腿頂標高14.050 m，懸挑600 mm，廠房設有3臺50/10 t的A5中級工作軟鉤吊車，最大輪壓產生的豎向荷載Dmax=1323.8 kN，最小輪壓產生的豎向荷載Dmin=615.1 kN，吊車橫向水平荷載Tmax=73.4 kN。抗震設防烈度為8度，加速度為0.2g，地震分組為第1組，場地類別為II類，50年一遇的基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙類別為C類，基本雪壓為0.4 kN/m2。廠房內設有高溫爐，局部高溫、高濕，屬于強腐蝕環境。

本文選取工程中銹蝕嚴重的鋼牛腿節點進行分析，鋼柱截面規格為H700 mm×400 mm×20 mm×24 mm，原鋼牛腿為變高度工字形截面，鋼牛腿截面規格為H(600～350)mm×400 mm×20 mm×20 mm，在吊車梁位置處設有加勁肋。鋼牛腿示意見圖1，鋼牛腿在使用過程中翼緣和腹板處出現了嚴重銹蝕，現場鋼牛腿節點見圖2。

圖1 鋼牛腿示意

圖2 現場牛腿節點

1.2 加固方案

1.2.1 鋼牛腿加固

針對銹蝕后的鋼牛腿，提出了在鋼牛腿上翼緣、腹板、上翼緣和腹板及兩側貼焊鋼板的加固方式，鋼牛腿的加固示意見圖3。上翼緣加固鋼板與原鋼板之間采用三面圍焊連接，腹板處加固鋼板四面均為對接焊縫，鋼牛腿兩側鋼板上下采用角焊縫連接，左右采用對接焊縫連接，焊角高度為8 mm，原有角焊縫補強為對接焊縫。

圖3 牛腿加固方案示意

1.2.2 節點域加強

節點域加強采用在翼緣及腹板相交處對稱焊接4個角鋼和鋼板的加固方案，根據文獻[3]設計了4種節點域加強方案，其中角鋼的尺寸為∟100×8，所有角鋼和鋼柱之間的焊接方式均采用連續雙面角焊縫，焊腳高度為8 mm。節點域加強示意見圖4，分別是在節點域加焊角鋼、斜肋、角鋼和斜肋，加固方式4和方式3的斜肋反向。

圖4 節點域加強方案示意

2 有限元模型的建立

2.1 模型的幾何參數

原鋼結構牛腿柱的截面為H700 mm×400 mm×20 mm×24 mm，由于主要分析鋼牛腿節點的受力性能，對鋼柱可做簡化處理，本模型鋼柱長度取為3 m。鋼牛腿截面規格為H(600～350)mm×400 mm×20 mm×20 mm，鋼材均選用Q355B。

原鋼牛腿和加固鋼材的應力-應變關系采用三折線模型，焊縫的應力-應變關系采用二折線模型，材料的各項性能指標見表1[12]。

2.2 有限元建模

采用有限元分析軟件ABAQUS分別對銹蝕前、銹蝕后及加固后的鋼牛腿節點進行建模分析。為提高模型的計算效率，鋼牛腿和鋼柱、鋼柱和角鋼、焊縫和加固鋼板、焊縫和鋼牛腿之間的接觸采用“TIE”連接來模擬，考慮到補強件和被加固件之間能夠可靠地共同工作，所有的接觸均采用面面接觸。鋼牛腿、鋼柱、加固所用的角鋼、鋼板以及焊縫均采用三維實體單元C3D8I。鋼柱頂部和底部的邊界條件均設置為鉸接，分別在鋼牛腿上翼緣、柱頂以及柱底端幾何中心點上建立耦合約束，方便施加約束。

對鋼牛腿節點進行有限元分析所采用的加載方式是荷載-位移控制加載，首先在柱頂施加100 kN的軸向力，然后在鋼牛腿上翼緣處施加豎向位移進行單調加載分析，單調加載的位移取為150 mm，加載方向向下。

3 有限元分析結果

3.1 銹蝕前后鋼牛腿節點受力分析

對銹蝕前及不同銹蝕程度的鋼牛腿進行單調加載分析，可得到如圖5所示的銹蝕前和銹蝕后鋼牛腿的整體破壞形態和圖6所示的荷載位移曲線。當鋼牛腿節點未發生銹蝕時，荷載隨著鋼牛腿加載點處豎向位移的增大而急劇增大，當鋼牛腿加載點處豎向位移達到6 mm左右時，鋼牛腿開始出現屈服，隨著加載點處豎向位移繼續增大，鋼牛腿的塑性變形區域不斷增加，當鋼牛腿處豎向位移達到100 mm左右時，鋼牛腿逐漸達到了極限承載狀態，荷載將不再增加。當鋼牛腿單側翼緣銹蝕深度超過4 mm時，鋼牛腿在荷載作用下，將出現明顯的側向扭曲失穩現象；當鋼牛腿處豎向位移達到70 mm時，鋼牛腿達到了極限狀態，之后承載力逐漸下降。通過有限元分析可以看出鋼牛腿腹板和翼緣單側銹蝕深度大于4 mm后，鋼牛腿極限承載力下降的速率更快。

圖5 銹蝕前后鋼牛腿的整體破壞形態

圖6 銹蝕前后鋼牛腿的荷載-位移曲線

3.2 牛腿加固方式對鋼牛腿承載性能的影響

針對銹蝕后的鋼牛腿，為研究不同加固方式對鋼牛腿承載能力的影響，設計了JGT組試件，JGT組試件的基本信息和計算結果見表2。圖7為JGT組試件牛腿部分的破壞形態，圖8為JGT組試件荷載-位移曲線。JGT-1試件主要銹蝕部位在鋼牛腿翼緣，由表2和圖8可知，加固后鋼牛腿穩定性得到增強，鋼牛腿的承載能力得到了顯著的提升，其極限荷載較加固前提升了12.57%；JGT-2試件主要銹蝕部位在鋼牛腿腹板，加固后鋼牛腿的屈服強度和極限強度都得到了顯著的提高，其極限荷載較加固前提升了47.20%。翼緣和腹板均發生嚴重銹蝕的鋼牛腿，分別采用加固方式3、方式4進行加固，其極限荷載較加固前分別提升了57.98%，61.98%。加固后的鋼牛腿在荷載作用下，節點域處出現明顯的塑性變形，高應力主要集中在節點域處，隨著節點處應力不斷增大，導致鋼牛腿無法繼續承受荷載，故加強節點域能夠進一步提升鋼牛腿的承載能力。

表2 JGT組試件的基本信息和計算結果

圖7 JGT組牛腿破壞形態

綜合有限元分析結果，對于不同的銹蝕部位，采用4種加固方式均能有效提升鋼牛腿承載能力。若僅翼緣處銹蝕，加固方式1可有效增強翼緣銹蝕部分所喪失的承載力。若僅腹板銹蝕，可采用方式2對鋼牛腿進行加固。對于翼緣和腹板同時銹蝕較為嚴重的情況，加固方式3和方式4均能提高鋼牛腿承載力。考慮到施工的方便性和安全性，本工程確定方式4為最終的加固方案，加固效果見圖9。

圖9 鋼牛腿加固效果

3.3 節點域加強方式對鋼牛腿承載性能的影響

為研究節點域加強方式對鋼牛腿承載性能的影響，以JGT-4試件為基本構件，設計JGY組試件，JGY組試件的計算結果見表3，圖10為JGY組鋼牛腿節點的破壞形態，圖11為JGY組荷載-位移曲線。

表3 JGY組試件信息及計算結果

圖10 JGY組鋼牛腿節點破壞形態

從圖10可以看出，JGY組試件由于節點域處的加強，節點域處塑性變形明顯減小，高應力區域向鋼牛腿處轉移，使鋼牛腿的強度得到充分利用。由表3和圖11可知，在4種節點域加強方式下，鋼牛腿的極限荷載均有不同程度的提高，比較幾種加強方式，可以看出自左下到右上走向(JGY-4)的斜肋加強節點效果顯著。最終選擇采用加強方式3的試件(JGY-4)為節點域加強方案。

4 影響參數分析

鋼牛腿節點加固參數包括鋼牛腿兩側加固鋼板厚度、斜向加勁肋厚度和角鋼厚度。為研究加固鋼板厚度t1和斜向加勁肋厚度t2對加固后鋼牛腿承載性能的影響，設計了2組試件來確定合適的參數取值范圍。

4.1 鋼牛腿兩側加固鋼板厚度的影響

為研究鋼牛腿兩側加固鋼板厚度對鋼牛腿承載性能的影響，以JGY-4試件為基本構件，通過調整鋼牛腿兩側加固鋼板厚度，設計了JGW組試件，JGW組試件的尺寸和計算結果如表4所示，圖12是鋼牛腿極限荷載隨加固鋼板厚度變化的曲線。從圖中可以看出鋼牛腿的極限荷載隨著加固鋼板厚度的增加而提高；當加固鋼板厚度不大于8 mm時，鋼牛腿的極限荷載增加明顯，當鋼板厚度大于8 mm時，其極限荷載雖仍有所增加，但增加幅度明顯放緩。

綜上，考慮到經濟性和安全性，建議鋼牛腿兩側加固鋼板厚度取值不小于鋼牛腿單側銹蝕深度的2.0倍，且為保證鋼板不發生局部失穩，不得小于牛腿端部截面高度/80。

表4 JGW組試件尺寸及計算結果

圖12 鋼牛腿極限承載力隨加固鋼板厚度變化的曲線

4.2 斜向加勁肋厚度的影響

為研究斜向加勁肋厚度對鋼牛腿承載性能的影響，在JGY-4試件的基礎上，通過調整斜向加勁肋厚度，設計了JGL組試件，JGL組試件的尺寸和計算結果如表5所示，圖13是鋼牛腿極限荷載隨斜向加勁肋厚度變化的曲線。從圖中可以看出鋼牛腿的極限荷載隨著斜向加勁肋厚度的增加而提高，當斜向加勁肋厚度大于12 mm之后，鋼牛腿極限承載力變化曲線趨于平緩，斜向加勁肋厚度增大后的部分對鋼牛腿的承載力貢獻不大。

表5 JGL組試件尺寸及計算結果

圖13 鋼牛腿極限承載力隨斜向加勁肋厚度變化的曲線

綜上，建議斜向加勁肋厚度取值范圍為節點域處單側銹蝕深度的2.5～3.5倍。

5 結論

1) 通過對銹蝕前和不同銹蝕程度的鋼牛腿進行分析可以看出，相對于翼緣銹蝕，腹板銹蝕對鋼牛腿承載力的影響更為明顯，這是由于鋼牛腿懸臂段長度較短，在牛腿根部截面產生的彎矩相對較小，其破壞形式主要以剪切破壞為主。隨著腹板處銹蝕深度的增加，鋼牛腿承載能力顯著降低。

2) 通過方案比較，選用了牛腿外邊緣兩側貼焊鋼板加固鋼牛腿和角鋼、斜肋組合加強節點域的加固方案，該加固方案能使鋼牛腿的承載力得到顯著提升，為今后相關工程的加固提供參考。

3) 根據有限元分析結果，當采用在牛腿外邊緣兩側貼焊鋼板的方式加固鋼牛腿時，建議鋼牛腿兩側加固鋼板厚度取值不小于鋼牛腿單側銹蝕深度的2.0倍，且為保證加固鋼板不發生局部失穩，加固鋼板厚度不得小于牛腿端部截面高度/80；當采用角鋼、斜向加勁肋組合加強鋼牛腿節點域時，建議斜向加勁肋厚度取值范圍為節點域處單側銹蝕深度的2.5～3.5倍。