H型板梁与格构式钢柱连接节点受力性能分析

H型板梁与格构式钢柱连接节点受力性能分析

冯庆兴1 吕金炭2 陈 晴3 龚顺风4

(1. 浙江科技学院， 杭州 310023； 2.福建荣盛钢结构实业有限公司， 福建泉州 362801；

3. 浙江省电力设计院， 杭州 310012； 4. 浙江大学结构工程研究所， 杭州 310058)

摘 要：由于常规框架结构不能满足脱硝工艺和现场施工条件要求，某电厂脱硝改造工程采用格构式钢架体系。方钢管格构式钢柱与H型大板梁连接节点成为关键设计难点。采用钢板将格构式钢柱内外侧连接组成筒状节点，在H型板梁腹板对应筒状节点位置设置加劲板，通过高强螺栓将加劲板与H型板梁腹板连接，同时在顶部和底部设置加强环以增强连接节点整体刚度。为评估该节点的受力性能，采用有限元软件ANSYS 11.0建立连接节点的数值模型，开展了最不利荷载工况下节点整体的受力性能分析。结果表明：连接钢板的应力水平在125 MPa以下，而加强环的应力在100 MPa左右，连接节点的刚度得到了显著增强，整体受力合理、传力明确，可满足承载力设计要求。

关键词：钢结构； H型板梁； 格构式钢柱； 节点； 数值模拟

(1. Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Fujiang Rongsheng

Steel Industry Co.Ltd, Quanzhou 362801, China; 3. Electric Power Design Institute of Zhejiang Province,

Hangzhou 310012, China; 4. Institute of Structural Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

0 引 言

随着工艺技术的提高和使用年限的增加，许多已建成的工业钢结构厂房已不能满足生产使用要求，通常需要进行改造加固处理。钢结构主要的加固方法包括：减小结构作用荷载、改变结构计算图形、加大原构件截面尺寸等。加固时主要的施工方法包括：负荷加固、卸荷加固和从原结构上拆除或更新构件等[1]。传统的钢结构加固方法具有诸多缺点：如增加构件质量、引起焊接残余应力和焊接裂纹、加固后结构对疲劳敏感等。FRP材料具有优异的物理力学性能可以克服传统粘钢加固法的缺点，近年来得到广泛研究和应用。如冯鹏等利用FRP套管和砂浆对受压钢柱进行组合加固，深入研究了加固后钢柱的抗屈曲性能[2]。彭福明等提出采用“三维实体 - 弹簧 - 壳元”对钢梁和组合梁粘贴CFRP加固前后的受力进行分析结果表明，采用CFRP粘贴加固钢梁可以显著改善其受力性能[3]。詹瑒等分别采用GFRP型材和角钢对足尺四肢角钢格构柱进行修复对比试验，研究了格构柱修复前后承载力、刚度和破坏形态的变化[4]。

在火电厂脱硝改造工程中，脱硝钢架一般建于锅炉炉后。常规脱硝钢架建造方式主要包括以下几种：新立脱硝钢架、利用并加固原炉后钢架，以及新立和加固原炉后钢架相结合等。在某些特殊情况下常规框架结构已不能满足脱硝工艺和现场施工条件的要求，而采用格构式钢柱体系既能满足现场施工条件要求，又可避免对原钢架结构进行大量的改造加固工作。

格构式钢架体系不但具有抗侧刚度大、经济性好等优点，在现有结构改造和扩建工程中，可在不影响既有钢柱情况下在原柱位新立格构式钢柱体系。目前，诸多学者对格构式钢架进行了研究。刘玉姝和张耀春对三角形截面格构式钢架平面外稳定问题进行了几何非线性分析，并与实腹式钢架进行对比，提出了简便可行的格构式钢柱平面外稳定计算方法[5]。刘书江和童根树对格构式钢柱平面内稳定问题进行了研究，指出现行的格构式钢柱平面内稳定计算公式存在不安全问题，并建议采用实腹式压弯杆件的计算公式对格构式钢柱平面内稳定进行计算[6]。梁枢果等利用风洞试验研究了3种典型的格构式钢架的风致振动特性，建立了格构式钢架的一阶振型广义风荷载谱解析模型[7]。柳国环和李宏男基于风洞试验得到格构式钢架的一阶广义荷载谱，并推导出一种更为简单实用的格构式钢架高阶广义荷载谱模型[8]。田伟、兰勇等以实际工程为背景对梭形格构钢柱的屈曲性能和极限承载力进行了研究[9 - 10]。另外，陈宝春、欧智菁、蒋丽忠等对于格构式钢管混凝土柱的极限承载力进行了试验和理论研究[11 - 13]。一些学者对多肢格构式钢柱的整体稳定性和复合材料格构式钢柱也进行了深入的研究[14 - 15]。

在本文格构式脱硝钢柱体系中，格构式钢柱与H型大板梁的连接节点设计是关键技术难点，国内外对这种连接节点的受力性能研究还比较欠缺。通过采用钢板将格构式4肢钢柱内外侧相互连接，使其成为一个筒状节点，在H型板梁腹板对应筒状节点位置设置加劲板，通过高强螺栓将加劲板与H型板梁腹板连接，同时在筒状节点顶部和底部设置环向加强板以增强节点的整体刚度。另外，在H型大板梁连接侧与梁下翼缘对应位置设置槽形加强板以增强两肢方钢管柱的协同受力。为了评估该设计连接节点的受力性能和传力特性，采用有限元软件ANSYS 11.0对其进行整体建模，计算分析在最不利工况作用下连接节点各组成部件的应力水平，从而为该节点的详细设计提供理论依据。

1 格构式脱硝钢架

在该火力发电厂锅炉钢架设计建造时，由于设计荷载考虑不足，导致锅炉钢架施工过程中主要承重构件挠度和侧移过大，不能满足承载力和正常使用要求，因此在现场施工安装期间设计方对锅炉钢架整体进行了一次全面加固补强工作。主要包括承重柱、梁和垂直支撑等重要构件，加固形式主要有将工字型柱外贴焊钢板变为箱形截面柱、工字形柱截面翼缘和腹板分别贴焊钢板，工字形板梁下翼缘贴焊T型构件，垂直支撑通过槽钢和钢板组合加固成箱型截面。到目前为止，补强后锅炉钢架已正常运行二十余年，与相邻位置同类机组相比，结构整体刚度比较柔，人在上面有明显的震感。炉后设备布置情况和加固后的构件如图1所示。

a-炉后主要设备；b-钢柱加固；c-钢梁加固；d-支撑加固
1-烟道；2-空预器；3-风机房；4-氨溶液制备系统；5-凝结水箱
图1 某电厂炉后设备及锅炉钢架加固后示意

由图1a可知，该电厂炉后设备密布主要包括烟风道、风机房、空预器、凝结水箱等，其中空预器钢架高度46.3 m，烟风道支撑钢架高度17.0 m。在电厂烟气脱硝改造时，需要在炉后垂直布置SCR反应器等脱硝设备，为了尽量减小经济损失，脱硝改造过程采取不停炉的方式进行，而炉后原空预器和烟风道支撑钢架结构无法再次进行加固。根据脱硝方案设计中对炉后原空预器和烟风道支撑钢架的评估表明，原炉后钢架应力水平均较高，主要承重构件局部存在不同程度的腐蚀，引入脱硝荷载后会对其产生较大影响，导致大量构件承载力无法满足设计要求，需要再次进行加固。但桩基承载力余度较大，引入脱硝后利用有限空间可进行补桩和浇筑联合承台，无需进行大面积的桩基施工。因此，选择在炉后原钢柱位置新立格构式钢柱体系，不仅避免了对炉后原钢架结构进行二次加固，又可充分利用桩基础的富余承载力，顺利完成烟气脱硝改造工程。

a-前立面布置； b-侧立面布置；
c-主要结构层1； d-主要结构层2
1-板梁格构柱1节点
图2 格构式脱硝钢架布置

格构式钢架体系设计总长度46.0 m，宽度22.3 m，高度为55.400 m，其中纵向由3榀钢柱组成，横向由5榀钢柱组成，总共13根格构式钢柱，如图2所示。结构体系纵向抗侧力由-轴和-轴之间从底部到顶部连续布置的垂直支撑组成，横向抗侧力由-轴之间从底部到顶部连续布置的垂直支撑组成，主要水平结构层均布置了环向水平支撑，结构整体抗侧刚度较好，可以承担地震作用和风荷载。2台SCR反应器质量约1 800 t。格构式钢柱体系具有轴向承载力大、稳定性能好，整体抗侧刚度大等优点，但格构式钢柱与大板梁连接节点成为本脱硝钢架体系中关键受力节点，其连接设计成为本工程的技术难点。

2 节点设计

在格构式脱硝钢架结构设计中，H型板梁与格构式钢柱的连接节点可细分为两类：第一类为与格构式钢柱相连接的钢梁,均为H型板梁；第二类为与格构式钢柱相连的钢梁,为双肢钢梁或格构式钢梁。对于第二类节点， 双肢钢梁或格构式钢梁的两肢可分别与格构式钢柱对应两肢钢柱相连接，从而转化为常用梁柱连接节点进行设计。综合考虑脱硝钢架中所有H型板梁与格构式钢柱的连接节点，选择SCR反应器支撑层H型大板梁与格构式钢柱连接节点，其位于与轴相交处、标高为42.250 m，该连接节点构造复杂、所受荷载较大，故需要进行专项设计和计算分析。

连接节点的详细设计大样如图3所示，格构式钢柱由4根等截面的方钢管柱组成，截面为□350×350×20×20，各构件尺寸详见表1。首先，利用钢板连接4根方钢管柱使其形成内外双筒状节点：采用第①连接钢板连接方钢管柱A和B的内侧，第2连接钢板连接方钢管柱C和D的内侧，如图3b所示，其中每块连接钢板与2根方钢管柱通过4条16 mm角焊缝连接；利用第③连接钢板连接方钢管柱A和B的外侧；第④连接钢板连接方钢管柱C和D的外侧；利用第⑤和⑦连接钢板分别连接方钢管柱A和C的内侧和外侧对应的连接钢板①和②；利用第⑥、⑧连接钢板分别连接方钢管柱B和D的内侧和外侧对应的连接钢板①和②；连接方式均为对接焊，使其形成内外筒状节点结构。

其次利用加劲板连接H型板梁与筒状节点：在H型板梁腹板对应筒状节点位置设置与腹板等厚加劲板，如图3b所示，加劲板与格构式钢柱内侧连接钢板采用对接焊缝连接，与外侧连接钢板连接时断开外侧连接钢板同样利用对接焊缝连接，并利用高强螺栓将加劲板与H型板梁腹板相连接，完成H型板梁与格构式钢柱间的内力传递。最后，利用加强钢板或加强环增强连接节点整体刚度：在较大H型实体板梁上、下翼缘对应筒状节点顶部和底部位置设置环形加强钢板。如图3a所示，对于两边不等高H型实体板梁，在高度较小H型板梁下翼缘对应筒状节点位置设置槽型加强钢板。如图3c所示，加强钢板厚度与H型实体板梁翼缘厚度一致。加强钢板与连接钢板、加劲板以及方钢管柱间均采用对接施焊方式连接，环形加强钢板加强了格构式钢柱与连接钢板之间的协同受力性能，增强了节点的整体刚度。

a-立面;b-Ⅰ-Ⅰ剖面;c-Ⅱ-Ⅱ剖面;d-Ⅲ-Ⅲ剖面
1-顶部环形加强钢板；2-中部槽形加强钢板；3-底部环形加强钢板；4-H型板梁；5-加劲板
注：①-⑧为构件编号；A-D为方钢管柱编号。
图3 格构式钢柱与大板梁连接节点设计

表1 构件截面尺寸及等效荷载

构件截面/mm轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)格构柱350×350×20×200.00.00梁段1H1200×450×26×32-370.32369.10梁段2H1600×500×35×35-313.8438.00梁段3H1200×450×26×32-370.92300.60

3 节点受力性能分析

3.1 有限元模型

所选节点位于标高42.250 m的SCR反应器支撑层，为格构式钢柱与大板梁连接的典型节点，该节点构造复杂、受荷较大。采用通用有限元分析软件ANSYS 11.0建立该节点的数值模型，如图4所示，各构件截面尺寸和等效荷载详见表1。所用钢材均为Q345B钢，弹性模量E取2.06×105 MPa，屈服强度fy取345 MPa，泊松比ν取0.3，钢材密度ρ取7 850 kg/m3。采用通用钢结构分析软件STAAD Pro对格构式钢架体系进行整体建模，进行了各种基本荷载工况和组合工况下整体结构的受力分析，同时选取该节点最不利荷载组合工况下的内力施加到有限元模型上，对该特殊连接节点进行受力性能的详细计算分析。

1-梁段1；2-梁段2；3-梁段3；4-格构式钢柱
图4 格构式钢柱与大板梁连接节点有限元模型

采用Shell 181单元对钢板进行模拟，该单元类型适用于薄到中等厚度的板壳结构，且具有应力刚化、大变形功能，具有较好的计算精度。在数值模拟中，板梁与格构式钢柱的连接采用腹板连续、上下翼缘断开的形式，以模拟STAAD Pro模型中实际铰接情况，格构式钢柱4肢方钢管柱底部采用全约束的形式进行模拟，由于H型实体板梁端部为铰接形式，故H型实体板梁只需截取一小段进行建模，有限元模型共计26 246个单元。

3.2 计算结果

在最不利荷载组合工况作用下，H型板梁与格构式钢柱连接节点整体应力水平较小，如图5a所示，整体等效von Mises应力约为100 MPa，其中应力水平较大的区域为H型板梁腹板与筒状节点连接处，格构式钢柱整体等效应力约90 MPa，受力较为均匀，节点其余部位应力水平较小。

格构式钢柱内侧环形连接钢板(图3b中连接钢板①、②、⑤和⑥)应力水平约为70 MPa，如图5b所示，靠近角点处等效应力最大为225.545 MPa；外侧环形连接钢板(图3b中连接钢板③、④、⑦和⑧)应力水平为90 MPa，如图5c所示，靠近角点处和节点中部槽型加强钢板(如图3c所示)处的应力水平较大，最大应力为127.058 MPa；与H型板梁连接的3条加劲板平均应力水平约为125 MPa，如图5d所示，靠近中部槽型加强钢板(如图3c所示)处应力水平最大，为274.206 MPa，属于H型板梁腹板与加劲板截面突变引起的应力集中现象。 顶部和底部加强环形钢板平均应力水平约为75 MPa，如图5e所示，其中方钢管钢柱内侧加强钢板应力水平较高，约70 MPa左右，方钢管钢柱外侧加强钢板应力水平较低，环形加强钢板与方钢管钢柱相交点应力最大，为200.066 MPa；中部槽型加强钢板(如图3c所示)平均应力水平约60 MPa，如图5f所示，槽型加强钢

a-整体应力；b-内连接板应力；c-外连接板应力；d-加劲板应力；e-上下环形加强板应力；f-中部加强板应力
图5 格构式钢柱与大板梁连接节点等效应力分布 MPa

板与H型板梁腹板对应的加劲板相交处应力最大，最大值为155.147 MPa。

综上分析可知，格构式钢柱与H型板梁连接节点和连接构件应力分布均匀，焊接区域未见较大应力。最大应力位于H型板梁腹板与加劲板相交处，最大值约为275 MPa，为截面突变引起的应力集中现象，等效应力最大值小于钢材屈服强度，说明整体节点设计能够顺利传递H型板梁荷载，且受力合理、传力明确，满足GB 50017-2003《钢结构设计规范》[16]的要求。

4 结 论

1)采用格构式钢架体系在不影响原钢柱情况下可以顺利完成该电厂的脱硝改造，同时满足炉后脱硝工艺和桩基施工现场要求，避免了对原炉后钢架结构进行二次加固。2)应用加劲板将H型板梁内力传递至采用连接钢板组成的双筒状节点上，再由筒状节点传递至格构式钢柱的传力体系明确，受力合理，可以满足H型板梁内力的传递要求。3)通过设置筒状节点顶部和底部的环向加强钢板，可以显著增强筒状节点的整体刚度，有效加强格构式钢柱与连接钢板的协同受力性能。4)所设计的H型板梁与格构式钢柱连接节点整体受力均匀、传力明确，满足使用要求。

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[16] GB 50017-2003 钢结构设计规范[S].

ANALYSIS ON MECHANICAL BEHAVIOUR OF CONNECTION JOINTS BETWEEN H-SECTION PLATE GIRDER AND LATTICED STEEL COLUMNFeng Qingxing1

Lü Jintan2 Chen Qing3 Gong Shunfeng4

ABSTRACT：Since the conventional frame structure can not meet the requirements of denitrification technology and site construction conditions, the latticed steel frame system was selected to support the flue gas denitrification equipments in the denitrification project of a thermal power plant. In the latticed steel frame system, the design of connection joints between latticed steel column and H-section plate girder is a challeng. In this paper, inside and outside of the latticed steel column were connected by steel plates to form a tube-in-tube joint, which was connected to the web of the H-section plate girder using the stiffening plates and high-strength bolts. Additionally, the reinforcement rings were installed at the top and bottom of the joint to enhance the integral rigidity. In order to evaluate the load transferring performance of this special connected joint, a numerical model was established by using the finite element software ANSYS 11.0, and the analysis of the mechanical behaviour under the most unfavorable load was carried out. The results indicated that the stress level of the connected steel plates was below 125 MPa, and the stress level of the reinforcement rings was approximately 100 MPa. The connection joint met the design requirements of load-carrying capacity with reasonable stress distribution and clear load transfer path, and its integral rigidity had been enhanced evidently.

KEY WORDS：steel structure; H-section plate girder; latticed steel column; joint; numerical simulation

第一作者：冯庆兴，男，1974年出生，博士，副教授。

通讯作者：龚顺风，[e-mail]。

收稿日期：2014 - 08 - 27

DOI：10.13206/j.gjg201501009