陳　東，　夏桂娟

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥　230022)

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加固新增設(shè)備鋼結(jié)構(gòu)廠房的有限元分析

陳東，夏桂娟

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230022)

摘要：由于目前越來越多的工業(yè)廠房需要增加新的使用功能，而增加的設(shè)備荷載已經(jīng)超過原結(jié)構(gòu)的正常使用承載能力，故需對原鋼結(jié)構(gòu)進行加固。本文采用鋼梁底部附加預(yù)應(yīng)力筋和鋼梁底部加設(shè)支撐方法。為了驗證此兩種加固方法的可行性，并分析出最優(yōu)方案，本文以山西某電力設(shè)備有限公司新建工業(yè)區(qū)工程項目為例采用了有限元分析軟件ANSYS12.0對兩種加固方案進行數(shù)值模擬。對兩種方法在施加相同的荷載作用下對結(jié)構(gòu)的受力性能進行分析。結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力筋加固法不僅能極大的滿足結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形要求，而且省工省料，施工難度小，重量更輕，所以預(yù)應(yīng)力筋法比增設(shè)支撐法更合適。預(yù)應(yīng)力筋加固法是未來鋼結(jié)構(gòu)加固方法的趨勢。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力筋法；增設(shè)支撐法；有限元分析

0引言

鋼結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高，很多在用的工業(yè)廠房已無法承受新的設(shè)備荷載，故需對廠房進行加固。鋼結(jié)構(gòu)加固方法主要有：降低荷載、調(diào)整計算模型、增加截面尺寸和構(gòu)件節(jié)點強度、阻止裂縫展開等，其施工方法主要有：負荷加固、卸荷加固、拆除原結(jié)構(gòu)上老舊構(gòu)件或使用新的構(gòu)件進行加固。鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計應(yīng)該考慮到經(jīng)濟效益和施工可行性，避免損傷干擾到原來的結(jié)構(gòu)，盡量在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行加固。朱小明以某電廠脫硝鋼支架結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計為例探討了通過拼接柱構(gòu)件，并在柱腹板和梁翼緣之間設(shè)置加勁板，將現(xiàn)有鋼粱穿越新立鋼柱的節(jié)點連接，其中新立鋼柱和現(xiàn)有鋼梁節(jié)點采用不截斷鋼梁、拼裝柱構(gòu)件的梁穿柱施工方法。鄧軍等通過對采用這兩種預(yù)應(yīng)力技術(shù)的CFRP板加固鋼梁進行受力分析，推導(dǎo)了計算加固鋼梁彈性抗彎承載力的方法，并給出了計算承載力及所需CFRP截面面積的計算公式，計算中考慮了加固前負載的作用；提出了兩種預(yù)應(yīng)力法的有效預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失的計算方法；通過算例，討論了各項參數(shù)對抗彎承載力及預(yù)應(yīng)力損失的影響。研究結(jié)果表明，采用預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)比無預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)更進一步地提高了梁的承載力；兩種預(yù)應(yīng)力方法的預(yù)應(yīng)力損失率是相同的；并且預(yù)應(yīng)力損失率不隨預(yù)應(yīng)力大小而改變，僅受截面尺寸和材料性能的影響。吳濤通過對預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固鋼梁運用組合梁和鋼梁塑性理論進行分析，并提出了其抗彎承載力計算公式，分析了在第二次加載后對其抗彎承載力的影響；同時還運用虛功原理和連續(xù)二次積分法求出了試驗梁的撓度計算公式。將理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，兩者剛好吻合。

本文將以某廠房鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計為例，應(yīng)用鋼梁底部加固預(yù)應(yīng)力筋或支撐并用剛性節(jié)點連接成整體的加固技術(shù)。使用剛性節(jié)點能增強原有結(jié)構(gòu)和加固構(gòu)件的連接，使得原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件和加固構(gòu)件之間能有效地協(xié)同作用。為了驗證這兩種加固方式的可行性，本文采用了有限元分析方法分析了加固后連續(xù)鋼梁的變形和受力情況，評估影響加固后連續(xù)鋼梁撓度大小的主要因素，并對鋼結(jié)構(gòu)加固方案進行比選，尋求可以應(yīng)用于工程實踐中最佳的加固方案。

1加固方案

某單層工業(yè)廠房，采用鋼排架結(jié)構(gòu)，屋面為單脊雙坡，屋面、墻面采用彩色壓型鋼板，并要求屋面進行整體氣密性處理。柱網(wǎng)尺寸為20m×8m，廠房長度、寬度各為80m，廠房鋼梁平面布置圖如圖1所示。設(shè)計采用的恒荷載標準值為5.0KN/M，活荷載標準值為3.6KN/M。鋼架梁的撓度容許值為L/360，檁條的撓度容許值為L/150，墻梁水平方向的撓度容許值L/100，山墻柱水平方向的撓度容許值為L/400。而在增加設(shè)備荷載后，由于設(shè)備荷載的自重使鋼架梁的撓度值已經(jīng)超過其撓度容許值，并且變形趨勢還在明顯擴大。在通過第三方檢測發(fā)現(xiàn)部分鋼架梁發(fā)生明顯扭曲、變形，結(jié)構(gòu)處于不安全狀態(tài)，故需要對結(jié)構(gòu)進行加固。

圖1廠房平面布置圖

1.1　預(yù)應(yīng)力筋加固方案介紹

預(yù)應(yīng)力筋加固法就是將施加過預(yù)應(yīng)力的鋼筋加固到鋼梁下部連接成整體，使原結(jié)構(gòu)受到與原來的應(yīng)力符號相反的應(yīng)力，從而抵消了結(jié)構(gòu)原有的部分應(yīng)力，減小內(nèi)力最大值，提高構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的承載力；同時能有效改善結(jié)構(gòu)的變形性能，減少結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的跨中撓度，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度。

預(yù)應(yīng)力筋加固法的具體內(nèi)容有：預(yù)應(yīng)力筋采用Q235鋼筋，并采用后張法施加預(yù)應(yīng)力；加固方法為在鋼框架平面內(nèi)即平行于鋼框架跨度方向的相鄰兩節(jié)點用兩根預(yù)應(yīng)力鋼筋連接并通過剛性節(jié)點與鋼梁連接形成整體，兩根預(yù)應(yīng)力筋采用高強螺栓摩擦型連接，預(yù)應(yīng)力筋和原結(jié)構(gòu)的連接采用10.9級高強螺栓摩擦型連接，高強螺栓結(jié)合面不得涂漆，采用噴砂處理法，摩擦面抗滑移系數(shù)為0.45；待預(yù)應(yīng)力筋安裝就位校正后，須采取將螺栓絲扣打毛或與螺母焊接等措施，以防止松動。

1.2　增設(shè)支撐法加固方案介紹

增設(shè)支撐法即通過增加支撐，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與支撐形成整體空間結(jié)構(gòu)一起承受設(shè)計荷載作用并按空間結(jié)構(gòu)進行驗算。此方法能有效的使荷載均勻傳遞，減小產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)受力更加均勻、穩(wěn)定。

增設(shè)支撐加固法的具體內(nèi)容有：加固方法為在在鋼框架平面內(nèi)即平行于鋼框架跨度方向的鋼梁下部設(shè)置支撐并形成桁架體系并通過剛性節(jié)點與原結(jié)構(gòu)形成整體；支撐采用Q235鋼筋，支撐與原結(jié)構(gòu)的連接與預(yù)應(yīng)力筋相同，但支撐之間的連接應(yīng)用自動焊接，焊接Q235鋼時,可采用H08A或H08E型焊絲配合中錳型或高錳型焊劑，構(gòu)件所有焊縫的弧坑必須填滿，鋼材上不可有肉眼可見的咬肉，宜采用平焊以保證質(zhì)量。

2有限元模型

利用有限元軟件ANSYS對加固的鋼結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬，模型的大小和上述的加固方案相同，所有鋼材都是Q235。原結(jié)構(gòu)中鋼梁的撓度大小仍在彈性變形范圍內(nèi)，則本文采用線彈性各向同性模型，服從Von Mises屈服準則，如圖2所示。本模型的所有鋼材的初始彈性模量Es=2.06× 105MPa，屈服強度fy=235MPa，泊松比為0.3，密度=7850kg/m3。

圖2Q235應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼梁、柱、均采用Beam188單元，Beam188單元是3維線性有限應(yīng)變梁單元，適合于分析從細長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，該單元基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，并考慮了剪切變形的影響。而支撐構(gòu)件以及預(yù)應(yīng)力筋采用Link8單元進行模擬，LINK8單元能被應(yīng)用于桁架，垂纜，桿件，彈簧等。這個三維的桿單元只能承受單軸的拉壓，單元每個節(jié)點上有三個自由度：x，y，和z方向的位移。模型底部均采用全約束，并約束鋼框架平面內(nèi)的水平位移，鋼梁兩端約束和構(gòu)件節(jié)點連接按剛性約束設(shè)計。在恒載和活載(不含風(fēng)載和地震作用)基本組合作用下即1.2*恒載+1.4*活載=11.04KN/m以及附加設(shè)備荷載自重(太陽能為2.0KN/m，水冷空調(diào)為8.0KN/m)下分析結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力值。

圖3預(yù)應(yīng)力筋法有限元模型

在增設(shè)支撐法中，加固的支撐桿件采用Link8單元模擬，各支撐的連接采用理想鉸接模擬分析。所謂理想鉸接，既梁與柱之間沒有彎矩的傳遞，就轉(zhuǎn)動而論，用鉸連在一起的梁和柱將相互獨立地轉(zhuǎn)動。一般在外力作用下，柱梁軸線夾角的改變量達到理想鉸接的80%以上的連接視為鉸接。增設(shè)支撐法的有限元模型如圖4。

圖4增設(shè)支撐法有限元模型

3計算結(jié)果分析

從表1—表4及圖6可知，在鋼架平面內(nèi)，未加固時鋼梁的最大變形值和應(yīng)力值分別為0.104m及0.245×109Pa，鋼柱最大變形和應(yīng)力值分別為1.831×10-2m及0.198×109Pa，由前述可知已經(jīng)超出了應(yīng)力變形限值，且鋼梁的應(yīng)力變形大于鋼柱的，不符合強柱弱梁的規(guī)定。則需對廠房進行加固。

3.1　預(yù)應(yīng)力筋法

從表1—表4可以看出，在鋼架平面內(nèi)，預(yù)應(yīng)力筋法加固鋼梁后的最大變形值和應(yīng)力值分別為0.474×10-2m及0.258×107Pa，鋼柱最大變形和應(yīng)力值分別為0.221×10-2m及0.336×108Pa。根據(jù)檢測報告可知，鋼架梁的撓度容許值為L/360=0.556×10-2m>0.474×10-2m，可以得出預(yù)應(yīng)力筋法已經(jīng)極大的滿足鋼架梁的變形要求。而Q235鋼的屈服強度為235×109Pa，故整個結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

表1　鋼柱最大von Mises 應(yīng)力值計算結(jié)果(單位：Pa)

表2　鋼柱最大變形值計算結(jié)果(單位：M)

表3　鋼梁最大von Mises 應(yīng)力計算結(jié)果(單位：Pa)

表4　鋼梁最大變形值計算結(jié)果(單位：M)

由圖6、7可以看出：(1)用預(yù)應(yīng)力加固后鋼梁的變形明顯減小且鋼柱受到更大的應(yīng)力，滿足強柱弱梁的定義。(2)結(jié)構(gòu)變形的最大值發(fā)生在鋼梁跨中，而鋼梁產(chǎn)生的應(yīng)力卻很小。這是由于，在均布荷載作用下，梁的兩端被錨固在結(jié)構(gòu)中，約束了梁端的變形，而越離節(jié)點越遠所受到的約束越小，從而跨中的撓度最大；鋼梁受到均布荷載作用后，通過節(jié)點將荷載傳遞給鋼柱，所以表中鋼柱的應(yīng)力大于鋼梁的應(yīng)力。(3)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應(yīng)力發(fā)生在中部的鋼柱，這是由于邊柱上只有一根鋼梁傳遞下來的荷載，而中柱是承受兩根鋼梁傳遞的荷載。

圖6一榀框架未加固時應(yīng)力變形圖

圖7一榀框架預(yù)應(yīng)力筋法應(yīng)力變形圖

模型的計算結(jié)果證明預(yù)應(yīng)力筋加固方案即采用預(yù)應(yīng)力加固連續(xù)鋼梁可以調(diào)整梁跨中及支座內(nèi)力分布，使結(jié)構(gòu)受力均勻，從而提高承載力。

3.2　增設(shè)支撐法

由表1-4，可以看出，在鋼架平面內(nèi)，用增設(shè)支撐法加固鋼梁后的最大變形值和應(yīng)力值分別為1.400×10-6m及1.028×104Pa，鋼柱最大變形和應(yīng)力值分別為0.904×10-6m及1.508×104Pa。根據(jù)檢測報告可知，鋼架梁的撓度容許值為L/360=0.556×10-2m>1.400×10-6m，可以得出增設(shè)支撐法已經(jīng)極大的滿足鋼架梁的變形要求。而Q235鋼的屈服強度為235×109Pa，故整個結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

由圖8可以看出，(1)鋼梁兩節(jié)點間的中部變形最大，鋼梁變形極??；因為支撐能使各跨鋼梁更好的連接成整體，減小局部變形；(2)廠房鋼柱應(yīng)力均勻分布并且中柱應(yīng)力比邊柱要大。這是因為中柱承受更多的構(gòu)件以及支撐的自重，所以中柱受到更大的力。

圖8一榀框架增設(shè)支撐法應(yīng)力變形圖

增設(shè)支撐法能有效降低結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力以及減小結(jié)構(gòu)的撓度大小，且能夠有效傳遞結(jié)構(gòu)荷載，梁穿柱節(jié)點總體受力均勻，滿足結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計要求。但是從經(jīng)濟性和施工可行性來說，增設(shè)支撐法費工費料，施工操作也較為繁瑣。

4結(jié)論

本文針對山西某電力設(shè)備有限公司新建工業(yè)區(qū)工程項目所出現(xiàn)的因為增加新功能而承載力不夠的情況并考慮加固的經(jīng)濟性、施工可行性等因素，提出了2種加固比選方案：預(yù)應(yīng)力筋加固法和增設(shè)支撐法。從圖9～14可以看出，兩種加固方法與加固前比較皆使廠房結(jié)構(gòu)受力性能滿足規(guī)范所規(guī)定的要求。雖然增設(shè)支撐法比預(yù)應(yīng)力筋加固法能夠更有效的使結(jié)構(gòu)變形和受力減小，但是增設(shè)支撐法變形以及應(yīng)力分布不均勻，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且比預(yù)應(yīng)力筋法更費料費工，從經(jīng)濟性和施工可行性來說是相當不合理的。

圖9預(yù)應(yīng)力筋法GL2應(yīng)力變形圖

圖10增設(shè)支撐法GL2應(yīng)力變形圖

圖11預(yù)應(yīng)力筋法GZ3應(yīng)力變形圖

圖12未加固時GL2應(yīng)力變形圖

圖13增設(shè)支撐法GZ3應(yīng)力變形圖

圖14未加固時GZ3應(yīng)力變形圖

綜合以上加固方案的特點及數(shù)值分析結(jié)果，推薦預(yù)應(yīng)力筋法對廠房結(jié)構(gòu)進行加固，該方案施工難度相對較低、可操作性較強、工程量小、不影響工廠的正常作業(yè)，且加固后對廠房結(jié)構(gòu)的變形和受力也能滿足使用要求。

參考文獻

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Finite element of new equipment factory buildings

of steel structure reinforcement analysis

CHEN Dong，XIA Guijuan

(Civil engineering school, Anhui Jianzhu University, Hefei,230022, China)

Abstract:more and more industrial plant is to increased new functions, and equipment load increase has exceeded the common use of the bearing capacity of structure, so it needs to be on the original steel structure reinforcement. Steel beam is added to the bottom of prestressed reinforcement and steel beam is arranged under supporting. In order to verify feasibility of the two kinds of reinforcement methods, and analysis of optimal plan, we take Shanxi power equipment limited company of new industrial zone project by using finite element analysis software ANSYS12.0 to simulate two reinforcement plans as an example. Deformation analysis of stress of two kinds of methods on structure under the same load applied. Prestressed reinforcement method is labor saving and material saving, low construction difficulty, lighter weight, so adding more suitable supporting method of prestressed reinforcement.

Key words:Steel structure;prestressed reinforcement method; additional support method; finite element analysis

中圖分類號：TU393.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8382(2015)02-0014-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150203

作者簡介：陳東(1981-),男,博士，副教授，主要研究方向為空間結(jié)構(gòu)抗震。

收稿日期：2014-12-24