唐 蓉， 張光輝， 朱 浩

(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

某屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)(圖1)主要分為五個(gè)部分：屋面脊線主梁、墻面脊線主梁、屋面板片次梁、墻面板片次梁和樹(shù)狀結(jié)構(gòu)支撐。樹(shù)狀支撐半球支座總共14個(gè)，本工程主體鋼結(jié)構(gòu)采用Q345B材質(zhì)，用鋼量約為3860 t。樹(shù)狀支撐半球節(jié)點(diǎn)由半球支座和耳板組成，耳板上焊有加勁板及環(huán)形貼板，耳板與連接桿件采用銷(xiāo)軸連接。

圖1 屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)

1 鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀分析

該鋼結(jié)構(gòu)屋蓋主體工程已經(jīng)完工，鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)處于在役狀態(tài)。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS[1]，采用Solid92單元，考慮材料非線性[2]，耳板厚度50 mm，屈服應(yīng)力265 MPa，彈性模量210 GPa，切線模量1.45 GPa[3]。模型以及單元?jiǎng)澐秩鐖D2所示。各軸向力換算成按余弦函數(shù)規(guī)律分布的面荷載沿耳板及環(huán)向貼板內(nèi)柱面加載到模型上，模擬銷(xiāo)軸荷載的傳力特點(diǎn)，如圖3所示。模型約束設(shè)在節(jié)點(diǎn)底面，約束三方向的平動(dòng)自由度。

圖2 節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖3 耳板及環(huán)向貼板加載

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)上部網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行施工過(guò)程模擬，提取當(dāng)前使用狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)連接桿件的內(nèi)力，其值為F桿1=-2961.73 kN，F(xiàn)桿2=-1559.95 kN，F(xiàn)桿3=46.81 kN，F(xiàn)桿4=-1919.22 kN，采用前述加載方式將其加載至相應(yīng)位置，重點(diǎn)關(guān)注鋼節(jié)點(diǎn)耳板上5個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平(如圖4所示)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1中補(bǔ)強(qiáng)前當(dāng)前荷載作用下等效應(yīng)力值，結(jié)果表明在當(dāng)前使用狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)處于安全狀態(tài)[4]。

圖4 關(guān)注區(qū)域分布

但現(xiàn)階段鋼結(jié)構(gòu)屋蓋承受的荷載并不是結(jié)構(gòu)承受的最不利荷載。在最不利荷載條件下，鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)連接桿件的內(nèi)力會(huì)更大，該鋼節(jié)點(diǎn)可能存在一定的安全隱患。當(dāng)鋼屋蓋荷載組合取最不利工況時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)各連接桿件的軸向力最大值分別為F桿1=-4852.01 kN，F(xiàn)桿2=-2443.92 kN，F(xiàn)桿3=157.68 kN，F(xiàn)桿4=-3366.27 kN，采用前述加載方式將其加載至相應(yīng)位置，重點(diǎn)關(guān)注鋼節(jié)點(diǎn)耳板5個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平，見(jiàn)表1中補(bǔ)強(qiáng)前最不利荷載作用下等效應(yīng)力值。從表中可以看出，在最不利荷載狀態(tài)下部分區(qū)域的應(yīng)力水平超過(guò)了Q345鋼材的屈服強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)耳板存在一定的安全隱患，需對(duì)此區(qū)域采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

2 鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)分析

鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)采用不卸載[5]狀態(tài)下對(duì)該鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大區(qū)域直接粘貼鋼板的補(bǔ)強(qiáng)方法。采用這種補(bǔ)強(qiáng)方法是由于屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)跨度大[6]，鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)連接桿件承受較大荷載，如果采用卸載后補(bǔ)強(qiáng)的方法，補(bǔ)強(qiáng)代價(jià)過(guò)大。同時(shí)在受荷狀態(tài)下該鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)不能焊接[7]，只能通過(guò)結(jié)構(gòu)膠在鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較大區(qū)域粘貼鋼板補(bǔ)強(qiáng)[8]。

補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)為30 mm異型加強(qiáng)鋼板，根據(jù)有限元分析確定的鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)耳板需補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，異型加強(qiáng)鋼板設(shè)置在環(huán)形貼板與加勁板之間，加強(qiáng)板與環(huán)形貼板和加勁板接觸面刨平頂緊。補(bǔ)強(qiáng)示意圖如圖5。

圖5 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

在原鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)有限元模型基礎(chǔ)上建立加強(qiáng)鋼板模型，加強(qiáng)鋼板有限元模型采用Solid92單元，考慮材料非線性，屈服應(yīng)力295 MPa，彈性模量2.1 GPa，切線模量1.45 GPa[3]，加強(qiáng)鋼板模型與節(jié)點(diǎn)模型邊界連續(xù)。根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)前后鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)的變化過(guò)程，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS的生死單元技術(shù)[9]，模擬鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前使用狀況下單獨(dú)受荷時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)；然后將加強(qiáng)板模型激活，同時(shí)加載鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接桿件最不利荷載，最終得到鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和加強(qiáng)板在最不利荷載狀態(tài)下共同工作時(shí)的狀態(tài)。

鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)模型的計(jì)算結(jié)果仍關(guān)注如圖4所示5個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平，同時(shí)關(guān)注最不利荷載狀態(tài)下加強(qiáng)板對(duì)應(yīng)區(qū)域的應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)模型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表中可以看出：(1)在當(dāng)前使用狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)耳板5個(gè)區(qū)域的應(yīng)力水平較低，當(dāng)前狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)是安全的；(2)補(bǔ)強(qiáng)后鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)耳板5個(gè)區(qū)域在最不利荷載狀態(tài)下的最大應(yīng)力為239.825 MPa，應(yīng)力水平控制在Q345鋼材屈服強(qiáng)度以下；(3)相比補(bǔ)強(qiáng)前鋼結(jié)構(gòu)半球節(jié)點(diǎn)耳板各區(qū)域的等效應(yīng)力減少幅度為24.5%～36.3%，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域等效應(yīng)力下降顯著；(4)補(bǔ)強(qiáng)后加強(qiáng)板對(duì)應(yīng)的5個(gè)區(qū)域在最不利荷載狀態(tài)下應(yīng)力水平為100 MPa左右，在Q345鋼材屈服強(qiáng)度以下，加強(qiáng)板承受了一定的荷載，有效降低了耳板的應(yīng)力水平。

表1 補(bǔ)強(qiáng)前后關(guān)注區(qū)域等效應(yīng)力

3 結(jié) 語(yǔ)

從有限元分析結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的應(yīng)力水平明顯降低，不卸載補(bǔ)強(qiáng)起到了很好的效果，是可行的。不卸載補(bǔ)強(qiáng)的方法具有對(duì)于原結(jié)構(gòu)的破壞更小，補(bǔ)強(qiáng)周期短，施工方便，耗費(fèi)低等特點(diǎn)，在鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域是一種比較新穎的補(bǔ)強(qiáng)方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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