某大跨桁架加固及节点分析研究

?

某大跨桁架加固及节点分析研究

赵 轩 陈夕飞

(中冶赛迪工程技术股份有限公司， 重庆 401122)

摘 要：焊缝连接在钢结构工程中应用广泛。传统设计假定焊缝应力在有效截面上分布均匀，但实际上焊缝存在严重的应力集中及应力分布不均匀的现象。如果设计中不考虑焊缝单元的节点分析，与实际情况会存在一定程度的误差。以某大跨42 m桁架加固实例为分析对象，详细介绍了桁架的加固设计，并采用有限元软件ABAQUS对节点进行分析。

关键词：桁架加固； 有限元分析； 应力集中； 焊接节点

0 引 言

钢结构的连接在工程中有非常重要的作用，钢结构连接的好坏会直接影响钢结构工程的质量和安全。焊缝连接因其具有连接刚度大、削弱截面小、整体性好、施工方便、适用性广等优点而在工程中得到广泛应用，是当前钢结构的主要连接方式[1]。无论是钢结构构件加固还是节点加固，焊接方式都是不可或缺的重要手段。GB 50017—2003《钢结构设计规范》中使用传统的二维计算方法，对焊缝的设计做出了规定：理想地假定有效截面上应力均匀分布，并且不分抗拉、抗压或抗剪都采用同一强度设计值[2]。在以往的有限元计算模型中，也常常将焊缝简化并忽略。事实上，起到连接作用的焊缝在工作中存在严重的应力集中，应力分布非常不均匀，对焊缝单元进行简化或忽略分析，会造成分析结果的偏差。以角焊缝为例，焊缝应力随长度方向分布不均匀，应力最大值出现在端头，存在明显的应力集中现象，当焊脚高度相同时，焊缝越长，应力分布越不均匀。本文以某大跨42 m桁架为例，对桁架进行加固研究及设计，并对加固焊接节点进行有限元分析。

1 工程概况

该工程为某炼钢厂内一条管道通廊，位于厂房东部端部位置，通廊宽度7 m，通廊跨度分别为42，39，32，24，21 m，通廊由两片竖向桁架及两片水平桁架(竖向桁架上、下弦杆之间)组成。因业主要求需在现有桁架上增加管道，且管道数量较多。其增加荷载前局部平面示意见图1，某竖向桁架构件见图2，水平桁架节间距为6 m(即上下弦杆水平方向侧向支撑点间距为6 m)，构件截面规格见表1，所有钢结构材质均为Q235B。该地区抗震设防烈度为8度 0.2g，场地类别为三类场地，基本风压为0.40 kN/m2。根据现有桁架受力情况，竖向桁架承担墙架和管道的竖向荷载，水平桁架承担墙架的水平风荷载及管道水平推力。

1—厂房柱；2—水平桁架；3—竖向桁架。
图1 管廊局部平面

注：1～10为构件编号。
图2 增加荷载前某竖向桁架构件

建立桁架计算模型，考虑竖向地震作用及节点刚性产生的次弯矩[3]，经过电算，增加荷载之后桁架构件内力见表2。与现有桁架(增加荷载之前)构件内力对比见图3。从对比来看，增加荷载前后构件内力增幅最大为87%，大部分构件内力增幅为40%左右。经验算，桁架杆件存在较多应力不足，需对现有桁架进行加固。

表1 增加荷载前桁架构件截面规格

编号构件截面规格编号构件截面规格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 增加荷载后桁架构件内力统计

编号轴力/kN弯矩/(kN\5m)编号轴力/kN弯矩/(kN\5m)编号轴力/kN弯矩/(kN\5m)1613027258105879042257802496470195713531692107116053106016411508

注：上弦杆1已叠加水平荷载产生的杆件轴向力。

图3 桁架增加荷载前后构件轴力对比

2 桁架加固研究

2.1 构件加固

根据CECS 77∶96《钢结构加固设计规程》及现场情况，考虑现场加固施工的可操作性，对桁架上弦杆同时采用增加截面法及增加平面外支撑加强刚度法(在原水平桁架节点之间增加支撑杆件，将水平支撑间距由6 m改为3 m)，对其他构件采用增加截面法。加固后截面形心轴有所改变，考虑形心轴偏移，桁架计算高度增加117 mm，上弦杆与腹杆交点偏心109 m，见图4。重新建立桁架计算模型，计算桁架内力并复核。

1—加固前截面形心轴；2—加固后截面形心轴；3—上弦杆。
图4 加固后桁架节点形心轴示意

2.2 节点加固

桁架加固设计首先需计算现有桁架在增加荷载之后内力，同时根据规范要求判定是否需要考虑节点刚性引起的次弯矩，其次需对加固后桁架几何尺寸复核并进行内力计算，最后需按调整后桁架内力进行构件验算。

由于现有桁架节点直接采用未增加节点板的焊接方式，且现场存在几处节点焊缝开裂(业主已进行焊缝补强处理)。本次加固采用增加节点板，加大构件连接的焊缝强度，其最终节点加固如图5所示。加固施工前，需对现有管廊中管道液体排空，尽可能降低加固过程中桁架杆件的内力，加固前、后节点现场实际照片见图6。

图5 节点加固大样

a—加固前；b—加固后。
图6 加固前后桁架节点对比

3 节点有限元分析

3.1 有限元模型

在以往的有限元分析模型中，常常重点关注节点整体构造形式，而忽略角焊缝单元的存在，即两构件之间直接刚性连接成一体，如图7a所示。杆件之间通过竖向的公共结点3、6、7(组成面1)整体受力。考虑角焊缝单元存在时，需采用实体单元以及相应焊条材料属性来模拟角焊缝单元，如图7b所示，水平构件与竖向构件之间事实上不连接，之间存在很小的间隙[4]，水平构件通过结点3′、4、5(组成面2)与焊缝单元连接，焊缝单元通过结点1、2、3(组成面1)与竖向构件连接。这样，作用水平构件的力通过焊缝单元的结点传递至竖向构件，此时，面3与水平构件之间没有公共结点。

a—不考虑焊缝单元;b—考虑焊缝单元。 注：数字为结点编号。
图7 模型示意

考虑材料的非线性特性在有限元软件中采用多线性随动强化(MKIN) 塑性材料。

图8 节点力学模型

结合实际工程情况和节点的受力状态，建立如图8所示的边界条件及加载方式[5]。弦杆左边界按固定端考虑，右边界采用铰接支座，腹杆主要承受轴力和弯矩。腹杆和弦杆均由两相交杆件的根部开始外伸节点间距离一半，以消除端部加载条件对节点区域的影响，图8中轴力及弯矩值见表2。加载方式为仅在腹杆末端结点上均匀施加沿杆件轴向的荷载及次弯矩，荷载数值由零逐渐增加到表2中数值。3.2 节点分析

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题[6]。利用通用有限元软件ABAQUS建立桁架节点有限元模型。模型采用精细化的实体单元建模，考虑桁架节点构件截面及尺寸，选择使用C3D8或C3D8R单元。不考虑焊缝单元的节点模型直接将构件采用刚性连接，形成一个整体，而考虑焊缝单元的节点模型在构件相接区域以及所有焊缝实体均进行网格加密处理，其节点整体模型见图9，焊缝与构件局部关系见图10。

图9 节点整体有限元模型

图10 考虑焊缝单元有限元局部模型

3.2.1 是否考虑焊缝单元节点对比分析

分别建立不考虑焊缝单元的节点和考虑焊缝单元的节点，进行对比分析，应力云图如图11所示，两个节点中杆件的应力分布基本一致，但杆件存在较大的应力集中，局部已经出现屈服。构件节点区以外部分应力与桁架构件应力基本上一致。图5中板A和板B的整体应力较小，可适当减小板厚。对比焊缝处应力，原设计中斜杆与弦杆连接的角焊缝已全部屈服，见图12。

a—不考虑焊缝单元；b—考虑焊缝单元。
图11 节点整体应力对比云图 MPa

图12 节点焊缝局部应力云图 MPa

3.2.2 考虑焊缝单元节点细部分析

对图5中焊缝A进行细部分析，其焊缝应力如图13a所示，焊缝在节点端部存在较大的应力集中，其最大应力已达到焊缝材料的屈服强度，增加杆件荷载至表2中荷载的1.2倍，其焊缝应力云图如图13b所示，较多焊缝区域已出现材料屈服。

a—1倍荷载;b—1.2倍荷载。
图13 焊缝A应力云图 MPa

为了确定合理的节点尺寸，即图5中h的数值及焊缝的合理高度hf，本文采用改变h数值及hf的高度，进行36组节点验算，并取焊缝A的平均应力作为控制指标，其统计结果如图14所示。

图14 焊缝A应力随焊缝长度及焊脚尺寸变化曲线

从以上36组有限元对比分析来看，对焊缝A的合理参数建议取焊脚尺寸hf为12 mm，h为 600 mm，以保证焊缝A的整体平均应力为147 MPa。

4 结 论

1)桁架杆件加固势必影响杆件的形心，使桁架的计算高度等几何尺寸有变化，设计中需考虑其影响。

2)焊接刚性桁架需考虑节点刚性的影响，计算中需考虑桁架构件弯矩，构件不再是单纯的轴向受力构件，应考虑为压弯或拉弯构件。

3)通过考虑焊缝单元的有限元分析，钢结构焊缝均存在应力集中，应力沿长度方向分布不均匀，如果忽略焊缝单元，其分析结果存在一定的偏差，只能反映构件的受力状况，不能反映焊缝的真实受力状况，不能完全满足节点设计的要求。

4)有限元网格的尺寸和划分方式对焊缝的模拟有较大的影响。本文对焊缝单元采用较密的网格，对节点区以外的有限元网格适当放宽，基本上可以满足分析的精度要求。

5)节点中，需适当增加加劲板以减少弦杆的应力集中现象。

参考文献：

[1] 夏志斌，姚谏.钢结构原理与设计[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2008

[2] 李星荣，魏才昂，丁峙，等. 钢结构连接节点设计手册[M].2版. 北京: 中国建筑工业出版社，2004.

[3] GB 50017—2003 钢结构设计规范[S].

[4] 魏群，赵乙轲. 考虑焊缝单元的钢节点有限元计算方法[J]. 华北水利水电学院学报，2010,13(6)：6-10.

[5] 陈誉，彭兴黔．空间KK型双弦杆圆钢管搭接节点有限元参数分析与极限承载力计算公式[J]．建筑结构学报，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：赵轩，男，1979年出生，高级工程师，国家一级注册结构工程师。

Email：[e-mail]

收稿日期：2016-05-20

DOI：10.13206/j.gjg201610007