在役大跨度钢结构节点不卸载补强研究.pdf

第 2 8卷第 1 期 2 0 1 1 年 3月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 ． 2 8 No ．1 Ma r ． 2 01 1 在役大 跨度钢 结构 节点不 卸载补强研究 唐蓉， 张光辉， 朱浩 武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要 本文通过对某大跨度钢结构屋盖半球节点进行数值模拟， 分析其目前使用情况下的应力状态 ， 确保其 现阶段的安全性 ； 进一步分析该钢结 构半 球节点在预期最 不利荷 载作 用下 的应力 水平 ， 确定其补 强 的必要 性 ； 依据大跨度空问钢结 构荷 载大 、 结构 柔等特点 以及该结构 目前使 用状 况 ， 结合 钢结构 半球节点 的位置 、 现场 施 工的难易程度等因素， 如果采用卸载条件下对其进行补强将付出巨大经济代价 ， 因此本文选择粘贴钢板补强法 在不卸载的情况下对该钢结构半球节点进行补强研究 ； 并运用 A N S Y S软件中的“ 生死单元” 技术对该钢结构半 球节点的实际受力状态进行模拟， 确保原结构达到预期的补强效果； 研究结果为该补强工程的方案设计提供指 导性意见 ， 并为其它类似工程提供参 考。 关键词 大跨度 ； 钢结构节 点 ； 不 卸载补强 中图分类号 T U 3 9 1 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 2 0 1 1 0 1 - 0 0 7 3 - 0 3 某屋盖 主体钢结构 图 1 主要 分为五个部 分 屋面脊线主梁 、 墙面脊线主梁、 屋面板片次梁 、 墙面板片次梁和树状结构支撑。树状支撑半球支 座总共 1 4个 ， 本工程主体钢结构采用 Q 3 4 5 B材 质， 用钢量约为 3 8 6 0 t 。树状支撑半球节点 由半 球支座和耳板组成， 耳板上焊有加 劲板及环形贴 板 ， 耳板与连接杆件采用销轴连接。 图 1 屋盖主体钢结构 1 钢结构半球节点现状 分析 该钢结构屋盖主体工程 已经完工 ， 钢结构半 球节点处于在役状态。运用有限元分析软件 A N S Y S ， 采用 S o l i d 9 2单元 ， 考虑材料非线性 ， 耳 板厚度 5 0 mm， 屈服应力 2 6 5 MP a ， 弹性模 量 2 1 0 G P a ， 切线模量 1 ． 4 5 G P a 。模型 以及单元划分 如图 2所示。各轴向力换算成按余弦函数规律分 布的面荷载沿耳板及环向贴板 内柱面加载到模型 上 ， 模拟销轴荷载的传力特点 ， 如图 3所示 。模型 约束设在节点底面， 约束三方向的平动 自由度 。 图 2 节点有限元模型 图 3 耳板及环 向贴板加载 收稿 日期 2 0 1 0 1 2 1 6 作者简介 唐蓉 1 9 8 6 ， 女 ， 山西 临汾人 ， 硕 士研究 生， 研究方 向为结 构稳定 与计算 E m ml t a n g r o n g 8 2 5 1 6 3 ． c o rn 通讯作者 张光辉 1 9 6 2 ， 男 ， 湖北武汉人 ， 副教授 ， 博 士， 研究方 向为结构稳定 与计算 E m a i l z h g h wh u t ． e d u ． c ” 7 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 通过对结构上部网架钢结构整体模型进行施 工过程模拟， 提取 当前使用状态下钢结构半球节 点连接杆件的内力， 其值为 F 杆 一2 9 6 1 ． 7 3 k N， F扦 2 一 1 5 5 9． 9 5 k N ， F扦 ]4 6．81 k N， F荆 一 1 9 1 9 ． 2 2 k N， 采用前述加载方式将其加载至相应 位置 ， 重点关注钢节点耳板上 5个区域 的应力水 平 如图 4所示 。计算结果见表 1中补强前当 前荷载作用下等效应力值 ， 结果表明在 当前使用 状态下钢结构半球节点处于安全状态【 4 J 。 图 4关注区域分布 但现阶段钢结构屋盖承受的荷载并不是结构 承受的最不利荷载。在最不利荷载条件下， 钢结 构半球节点连接杆件的内力会更大 ， 该钢节点可 能存在一定的安全隐患。当钢屋盖荷载组合取最 不利工况时， 钢结构半球节点各连接杆件的轴 向 力最 大值分别为 F 杆 1 一4 8 5 2 ． 0 1 k N， F 杆 2一 2 4 43． 9 2 k N， 1 5 7． 6 8 k N ， 一3 3 6 6． 2 7 k N， 采用前述加载方式将其加载至相应位置 ， 重 点关注钢节点耳板 5个区域的应力水平 ， 见表 1 中补强前最不利荷载作用下等效应力值。从表中 可以看出， 在最不利荷载状态下部分区域的应力 水平超过 了 Q 3 4 5钢材的屈 服强度， 节点耳板存 在一定的安全隐患 ， 需对此区域采取补强措施。 2 钢结构半球节点补强分析 钢结构半球 节点补 强采用不 卸载l 5 状态下 对该钢结构半球节点应力较大区域直接粘贴钢板 的补强方法。采用这种补强方法是由于屋盖主体 钢结构跨度大 J ， 钢结构半球节点连接杆件承受 较大荷载 ， 如果采用卸载后补强的方法 ， 补强代价 过大。同时在受荷状态下该钢结构节点不能焊 接 ， 只能通过结 构胶 在 钢 结构 半 球 节点 应 力较 大区域粘贴钢板补强 j 。 补强结构为 3 0 m m异型加强钢板， 根据有限 元分析确定的钢结构半球节点耳板需补强区域 ， 异型加强钢板设置在环形贴板与加劲板之间， 加 强板与环形贴板和加劲板接触面刨平顶紧。补强 示意图如图 5 。 图 5补强结 构 在原钢结构半球节点有限元模型基础上建立 加强钢板模型， 加强钢板有限元模型采用 S o l i d 9 2 单元， 考虑材料非线 性， 屈服应力 2 9 5 MP a ， 弹性 模量 2 ． 1 G P a ， 切线模量 1 ． 4 5 G P a _ 3 J ， 加强钢板模 型与节点模型边界连续 。根据补强前后钢结构半 球节点受力状态的变化过程 ， 运用有限元分析软 件 A N S Y S的生死单元技术_ 9 ] ， 模拟钢结构半球节 点在当前使用状况 下单独受荷时的应力状态 ； 然 后将加强板模型激 活， 同时加载钢结构节点连接 杆件最不利荷载 ， 最终得到钢结构节点和加强板 在最不利荷载状态下共 同工作时的状态。 钢结构半球节点补强模型的计算结果仍关注 如图4所示 5个区域的应力水平 ， 同时关 注最不 利荷载状态下加强板对应区域的应力 ， 节点补强 模型计算结果见表 1 。从表中可以看出 1 在当 前使用状态下钢结构半球节点耳板 5 个区域的应 力水平较低 ， 当前状态下钢结构半球节点是安全 的； 2 补强后 钢结构半球节点耳板 5个 区域在 最不 利荷载状态下 的最大应力为2 3 9 ． 8 2 5 MP a ， 表 1 补强前后关注区域等效应力 补强前当 补强前最 补强后最 前荷载作不利荷载 不利荷载 霆用 下 等 效 作 用 下 等 作 用 下 等 翌 应力 效应力 效应力 补强后最 不利荷载 作用下加平均 强板对应减小 区域等效幅度 应力 ／MP a 第 1 期 唐蓉等 在役大跨度钢结构节点不卸载补强研究 7 5 应力水平控制在 Q 3 4 5钢材屈服强度 以下 ； 3 相 比补强前钢结构半球节点耳板各区域的等效应力 减少幅度为 2 4 ． 5 ％ ～ 3 6 ． 3 ％ ， 补强区域等效应力 下降显著； 4 补强后 加强板对 应 的 5个 区域在 最不利荷载状态下应力水平为 1 0 0 MP a 左 右 ， 在 Q 3 4 5钢材屈服强度 以下 ， 加强板承受了一定 的荷 载 ， 有效降低了耳板的应力水平 。 3 结 语 从有限元分析结果可 以看 出， 节点补强 区域 的应力水平明显降低 ， 不卸载补强起到 了很好的 效果 ， 是可行的。不卸 载补强 的方法具有对于原 结构 的破坏更小 ， 补强周期短 ， 施工方便 ， 耗费低 等特点 ， 在钢结构补强领域是一种 比较新颖 的补 强方式 ， 具有广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 ] 王国强．实用工程数值模拟技术及其在 A N S Y S上 的实践[ M] ．西安 西北工业大 学出版社 ，1 9 9 9 ． [ 2 ] 博 弈创 作室．A N S Y S 9 ． 0经典产 品基 础教程 与实例 详解 [ M] ．北京 中国水利水 电出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] G B 5 0 0 1 7 - 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