陳志華，王昭著，劉紅波, 2，陳?宇，楊向燚，張曉光

天津空客A330寬體機廠房焊接加固過程結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測與分析

陳志華1，王昭著1，劉紅波1, 2，陳?宇3，楊向燚3，張曉光4

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072；2. 河北工程大學土木工程學院，邯鄲 056038；3. 天津天保建設發(fā)展有限公司，天津 300308；4. 天津建工科技有限公司，天津 300499)

大跨度鋼桁架加固方法多采用焊接加固增大截面法．針對大跨度鋼桁架屋蓋整體結(jié)構(gòu)的負載焊接加固，以天津空客A321(A330寬體機廠房)屋蓋為例，采用4片角鋼，分肢與原H型鋼的翼緣、腹板分別焊接的加固方式，設計了合理的焊接加固方案與監(jiān)測方案，對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在焊接加固過程中的應力、應變進行監(jiān)測．以監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，研究分析焊接加固過程中型鋼與加固角鋼的應力響應規(guī)律，驗證鋼桁架梁采用角鋼焊接加固的傳力有效性，判斷焊接熱輸入的影響范圍．結(jié)果表明：在負載焊接加固的過程中，局部高溫熱影響區(qū)引起應力重分布，加固角鋼的存在對原有型鋼構(gòu)件起到了相應的承擔作用，焊接加固過程中結(jié)構(gòu)的安全性可以得到保證．此外，焊接加固時，通過監(jiān)測相鄰桿件的應力和應變，分析表明焊接熱影響的范圍在兩個節(jié)間范圍內(nèi)，且?guī)淼膽憫^小．

鋼桁架梁；負載狀態(tài)；焊接加固；現(xiàn)場監(jiān)測

近年來，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的持續(xù)增長，出現(xiàn)的質(zhì)量問題也隨之增多．許多鋼結(jié)構(gòu)建筑由于年久失修、使用功能的改變、設計或施工不當、遭遇自然災害等原因[1]，結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性難以保證．因此，加固和改造技術(shù)的發(fā)展勢在必行．在確保結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性的基礎上，如何減少加固施工的成本、提升施工的效率等，是業(yè)界持續(xù)追求和探索的目標．

在負載情況下，由于焊接加固施工具有耐久性好、施工靈活性高、造價低等優(yōu)點，往往成為鋼結(jié)構(gòu)加固的首選方案[2-3]．Brown[4]運用簡化模型來計算負載下焊接加固鋼柱的極限承載力，結(jié)果表明加固形式和初始負載大小會影響加固后鋼柱的承載能力；Martin等[5-6]采用ANSYS對不同初始負載下兩種不同加固方式的鋼柱進行了研究，所選用應力比為0.3、0.5及0.7；Liu等[7-8]和Gannon[9]考慮不同的初始荷載、加固方案為鋼梁下翼緣焊接鋼板和鋼梁兩側(cè)焊接豎向鋼板，研究結(jié)果表明初始負載大小對加固后鋼梁穩(wěn)定承載力有較大影響，對加固后全截面屈服承載力幾乎無影響；龔順風等[10]通過有限元軟件分析了不同初應力、板厚、長度的鋼柱加固后受力性能；蔣立等[11]建立了72個有限元壓彎構(gòu)件模型進行分析，認為焊接殘余變形熱輸入、初始應力水平、柱子長細比的影響依次減少；牛犇等[12]以天津國貿(mào)鋼結(jié)構(gòu)加固為工程示例，進行了H型變箱型焊接加固支撐和在下翼緣焊接T形鋼加固H型鋼梁的試驗．然而國內(nèi)外研究多以單根構(gòu)件為研究對象，且構(gòu)件的試驗環(huán)境處于實驗室理想條件下，關(guān)于現(xiàn)場施工條件下整體結(jié)構(gòu)局部的負載焊接加固試驗研究還比較匱乏．

為研究鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)在焊接加固過程中的實際結(jié)構(gòu)響應規(guī)律，本文以空客A321(A330寬體機廠房)改造工程項目為例，通過實測應力應變，研究分析焊接加固過程中型鋼與加固角鋼的應力響應規(guī)律，驗證鋼桁架梁采用角鋼焊接加固的合理性，判斷焊接熱輸入造成的影響范圍．

1?焊接加固形式

1.1?工程概況

空客A321(A330寬體機廠房)采用大跨度屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)，建筑使用性質(zhì)以稱重功能為主，由大廳及其附屬用房組成．大廳為全鋼結(jié)構(gòu)，跨度73.7m，進深80m，下弦標高20.00m，排架柱采用鋼格構(gòu)柱，屋蓋為H型鋼桁架，屋蓋鋼桁架與排架柱通過固定球鉸支座連接，單榀排架布置及屋架結(jié)構(gòu)平面布置如圖1和圖2所示，除屋蓋鋼桁架采用Q345B鋼材外，其他構(gòu)件采用Q235鋼材．該建筑自2018年投入使用至今，狀況良好．現(xiàn)屋架下弦需加裝輕型吊車梁設備，起重量1.5t，跨度16.6mm＋16mm＋16mm＋16.6mm，布置范圍1～7軸/A～H軸．在增加吊車荷載作用下，原結(jié)構(gòu)部分桿件應力比接近于1.0．為了保證吊車后續(xù)使用的安全性及抗震要求，需對整個屋面桁架系統(tǒng)進行加固處理．

本工程的施工可采用卸荷加固或負荷加固，若采用對桁架節(jié)點回頂?shù)姆绞竭M行卸荷，對桁架回頂荷載較大，在反力作用下易造成地坪板的開裂，故采用負荷下焊接加固．

圖1?單榀排架布置示意

圖2?屋架結(jié)構(gòu)平面布置示意

1.2?焊接加固方式

在進行焊接加固之前，首先用ANSYS軟件分析該結(jié)構(gòu)在施工階段下結(jié)構(gòu)的工作狀況，確定結(jié)構(gòu)的變形和構(gòu)件的應力比在《鋼結(jié)構(gòu)加固設計標準》(GB 51367—2019)[13]允許值之內(nèi)，各桁架桿件應力比限值如表1所示，滿足間接承受動力荷載作用，或僅承受靜力荷載作用的結(jié)構(gòu)應力比限值在0.65以下．綜合考慮施工過程的影響及使用階段的要求，鋼桁架梁的加固方式采用4片角鋼，分肢與H型鋼的翼緣、腹板分別焊接，焊接加固方式如圖3所示．

表1?桿件應力比限值

Tab.1?Limit values for the stress ratio of rods

圖3?焊接加固方式

2?焊接加固方案

2.1?整體結(jié)構(gòu)焊接加固流程

通過對原有結(jié)構(gòu)在增加吊車荷載后各工況下的真實應力比進行驗算，確定應力超限桿件，明確焊接加固部位，焊接加固部位如圖4所示．桁架加固首先采用定位架將角鋼貼緊后進行點焊，點焊完成后拆除定位架，進行下一處安裝．將加固角鋼點焊在相應需要加固部位后，正式焊接加固E軸部位桁架，然后由E軸對稱向兩側(cè)加固，最后加固A軸、H軸桁架，具體加固順序為E軸→D軸→F軸→C軸→G軸→B軸→H軸→A軸．

圖4?焊接加固部位

桁架A：先加固下弦桿件，然后加固上弦桿件，上弦加固時由跨中向兩邊加固．桁架C：由跨中向兩邊加固上弦桿件．桁架D：先加固兩端的上弦桿件，然后由跨中向兩邊加固上弦桿件．

2.2?單根桿件焊接加固順序

由于現(xiàn)場環(huán)境較為復雜，且工人實際焊接過程為高空作業(yè)，實際桿件長4m，除桿件端部焊縫長度75mm外，其余均采用跳焊150mm(100mm)焊縫，焊縫位置如圖5和圖6所示．

圖5?焊縫位置布置

圖6?焊縫位置剖面

焊接流程如下：①焊接剖面位置2、7處的第1段75mm焊縫，對稱同時焊接；②焊接剖面位置2、7處的第3段150mm焊縫，對稱同時焊接；③…；⑨焊接剖面位置2、7處的第17段75mm焊縫，對稱同時焊接．

同上，依次完成第2段、第4段、…、第16段焊縫的焊接．

重復上述步驟，焊接完成剖面位置1、8處，3、6處，4、5處的焊縫，對稱同時焊接．焊前使用測溫槍測定焊接部位表面溫度，溫度低于100℃方可繼續(xù)焊接，反之等待溫度降低．

同理按照上述單根桿件加固順序完成單榀桁架的加固．

3?焊接加固全過程監(jiān)測

關(guān)鍵部位桿件內(nèi)力受焊接加固過程影響較大，為保證后續(xù)施工過程的安全進行，驗證加固后焊接加固過程中加固角鋼與型鋼的應力變化情況，有必要對關(guān)鍵部位處構(gòu)件的內(nèi)力進行監(jiān)測．

3.1?測點布置

根據(jù)應力應變監(jiān)測測點布置的基本原則，測點布置應該能夠準確和全面地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應力狀態(tài)，在施工中承受較大荷載，受力關(guān)鍵部分要予以重點監(jiān)測.

3.1.1?長期監(jiān)測測點

本工程的長期監(jiān)測方法[14-18]為通過振弦式應變計測量構(gòu)件的應力，對焊接加固構(gòu)件的典型H型鋼和加固角鋼等主要受力構(gòu)件進行了應力監(jiān)測．其中每個測點的應力測量采用振弦式鋼板(應變)計焊接在鋼構(gòu)件上下表面的方法，通過測量應變進而得到相應的應力．綜合考慮各方面的因素，全程應力監(jiān)測采用YXR-4058型振弦式鋼板(應變)計，并配套使用WKD5987多功能監(jiān)測分析采集儀，該儀器可實現(xiàn)對振弦式應變計數(shù)據(jù)的定時連續(xù)采集，且滿足無線采集的要求，不影響現(xiàn)場施工，實現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測的目的．

對于單根桿件，為了研究角鋼和H型鋼的協(xié)同受力作用，在H型鋼的腹板、上下翼緣以及4片角鋼上布置測點，一組7個測點，共4組；加固桁架共3類，分別為桁架A、桁架C、桁架D，4組測點選取H軸-桁架A、E軸-桁架C、A軸-桁架D進行測點布置；以E軸-桁架C為典型受力桁架，在桁架C周圍的腹桿及弦桿布置測點．具體振弦式應變計測點位置如圖7所示，VST代表振弦式應變計．在全部加固角鋼點焊至原型鋼上后，振弦式應變計即焊接至相應測點位置．

（a）測點布置三維圖

（b）E軸-桁架C周圍桿件測點布置

（c）施工現(xiàn)場振弦式?????（d）振弦式應變計應變計布置布置剖面圖

圖7?振弦式應變計測點布置

Fig.7 Layout of the measuring points for the vibrating wire strain gauge

3.1.2?焊接過程監(jiān)測測點

在不影響工程施工的前提下，長期監(jiān)測采用無線監(jiān)測，由于工程所處地理位置信號偏弱，雖然長期監(jiān)測滿足要求，但焊接過程對其有一定的影響．故在施工監(jiān)測儀器布置的基礎之上，綜合考慮監(jiān)測方案以及現(xiàn)場條件，選擇E軸桁架跨中上弦有焊接加固的桿件作為監(jiān)測對象，加固角鋼尺寸L350mm×12mm，型鋼尺寸HW350mm×350mm×12mm×19mm．在該桿件1/4、1/2、3/4截面部位布置應變片，具體位置如圖8～圖10所示，ST代表應變片．所有應變片均在點焊完成后，正式焊接加固之前布置．

圖8?應變片測點上弦平面布置

（a）整體桿件??????（b）1-1剖面圖

（c）2-2剖面圖??????（d）3-3剖面圖

圖9?應變片測點位置示意

Fig.9 Location diagram of the strain gauge measuring points

圖10?焊接過程桿件應變片布置

3.2?焊接過程監(jiān)測結(jié)果與分析

根據(jù)上述內(nèi)容對鋼桁架屋蓋進行長期監(jiān)測，并以E軸-桁架C為典型桿件，對其焊接加固過程進行詳細的監(jiān)測．

3.2.1?數(shù)據(jù)振蕩

在監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)應變片數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動，繪制曲線中出現(xiàn)如圖11所示的振蕩，需要找出振蕩原因以及合理的處理數(shù)據(jù)．首先猜測可能有3方面的原因：第一，工人師傅在高空焊接加固時，線的位置對焊接部位產(chǎn)生干擾，所以時常對線進行一個撥動，線的擺動造成數(shù)據(jù)的振蕩；第二，該桿件處于整體結(jié)構(gòu)中，整體結(jié)構(gòu)受力較為復雜，在風荷載或其他外在荷載的作用下引起桿件受力不平穩(wěn)，造成數(shù)據(jù)振蕩；第三，焊接加固過程中電阻式應變片受電流及溫度的影響較大．

圖11?焊接過程中數(shù)據(jù)的振蕩(ST12)

綜合上述3種情況，可見線的擺動對數(shù)據(jù)有一定的影響，但不能說明現(xiàn)場問題，現(xiàn)場從左至右焊接，線有晃動，但幅度較??；結(jié)構(gòu)整體受力環(huán)境會造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)小幅應力波動，屬于正?，F(xiàn)象；結(jié)合實驗室對單個構(gòu)件的焊接加固試驗，在焊接過程中測試數(shù)據(jù)也出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象．

由此判斷是現(xiàn)場焊接條件導致，電焊機地線和構(gòu)件接負極(－)，焊槍接正極(＋)，與構(gòu)件形成短路，利用電火花釋放熱量融化焊絲進行焊接．考慮到現(xiàn)場在30m高空進行焊接，通電回路不穩(wěn)定，影響焊接過程應變測試．焊接過程中，受熱輸入的影響，應變測點也會受到相應的影響．從圖11也可看出在未焊接時，應力水平處于一個相對恒定的狀態(tài)，焊接一開始，應力開始出現(xiàn)波動，當中間暫停焊接時，應力水平又回到相對恒定的狀態(tài)，與波動的上限處于同一趨勢，故后續(xù)分析中以整條曲線的上限為基準．處理后的曲線效果如圖12所示．

圖12?處理后的數(shù)據(jù)(ST12)

3.2.2?應變片數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

圖13給出了焊接過程中H型鋼腹板測點處的應力時程曲線．ST13、ST15、ST17分別為H型鋼1/4、1/2、3/4處腹板的縱向應變測點．從圖中可以看出，在焊接第１條焊縫時，整個構(gòu)件的腹板處沿縱向的應力水平較低，無明顯變化；從焊接第２條焊縫開始，腹板應力，均會出現(xiàn)先下降、后上升的趨勢．

圖13?焊接加固過程中腹板測點處應力時程曲線

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，角鋼通過1條焊縫，并不能對H型鋼起到相應的加固約束作用，而隨著第2條焊縫的焊接，首先由于熱輸入對鋼材的影響，腹板所受壓應力增大，漸漸角鋼與H型鋼焊接為整體，對原有型鋼桿件的壓應力起到一個減弱的作用．

由于現(xiàn)場兩名工人處于高空作業(yè)，并不能完全實現(xiàn)對稱焊接，且現(xiàn)場有其他因素干擾，構(gòu)件的應力變化不同步．加固后，出于施工影響，沒有得到隨時間推移鋼構(gòu)件慢慢冷卻階段的應力變化水平．

圖14所示為焊接過程中H型鋼翼緣測點處的應力時程曲線，ST2、ST4、ST6分別為H型鋼1/4、1/2、3/4處腹板的縱向應變測點．翼緣的應變片與焊縫有一定的距離，離焊縫越遠，焊接熱輸入的影響越小，故焊接過程中翼緣測點處的應力變化較?。煌孛嫣幍囊砭墤ψ兓⒉灰?guī)律，先焊接的1/4截面應力水平基本保持在零點附近，1/2截面與3/4截面的應力一正一負，均保持先下降再上升的變化趨勢．加固角鋼與原H型鋼焊接后，在外荷載未增加情況下，二者的協(xié)同受力并不明顯，需通過實際天車布置后根據(jù)長期監(jiān)測數(shù)據(jù)采取進一步分析．

圖14?焊接加固過程中翼緣測點處應力時程曲線

圖15中，第1條、第2條焊縫相近的測點是ST22與ST26，第3條、第4條焊縫相近的測點是ST19與ST23．通過曲線變化規(guī)律可以明顯看出，焊接時，焊縫相近的測點壓應力水平增加．焊接第1條、第2條焊縫時，ST22測點壓應力水平增加，ST26測點由于焊接過程中應變片的損壞，數(shù)據(jù)并不完整，但破壞前仍有一個明顯的下降趨勢；焊接第3條、第4條焊縫時，ST19、ST23測點壓應力水平增加．

圖15?焊接加固過程中1/4截面角鋼應力時程曲線

1/2截面與3/4截面角鋼測點處的應力時程曲線基本符合上文提到的規(guī)律，從圖16和圖17可以看出，焊接時焊縫相近的測點壓應力水平增加．1/2截面處的ST27測點在第1條、第3條焊縫焊接時出現(xiàn)的突變，考慮是工人在焊接過程中的熱輸入影響．3/4截面的變化規(guī)律更為明顯，且與ST39測點相鄰的焊縫為最后焊接，故曲線在前兩條焊縫焊接時均保持恒定狀態(tài)，到焊接第3條、第4條焊縫才出現(xiàn)下降趨勢.

圖16?焊接加固過程中1/2截面角鋼應力時程曲線

圖17?焊接加固過程中3/4截面角鋼應力時程曲線

3.2.3?焊接熱影響分析

結(jié)合振弦式應變計的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圖18為E軸跨中測點H型鋼和角鋼在2022年10月24日—2022年10月28日的應力時程曲線，該測點處的桿件于10月24日09：00時開始焊接，11：30時停止焊接，13：00時繼續(xù)焊接該桿件，14：00完成該桿件的焊接．該桿件是工人焊接的第1根構(gòu)件，且由于對焊接儀器的調(diào)試等因素導致焊接緩慢．由圖18可以清楚地看出，由于焊接間斷，H型鋼與角鋼的應力時程曲線在24日出現(xiàn)2個較為明顯的突變．整條應力時程曲線中，除焊接加固測點所在的桿件時出現(xiàn)明顯的應力變化，在25日09：00、26日11：00也分別出現(xiàn)了應力上升的變化．焊接加固順序如圖19所示：25日焊接與桿件1相鄰的桿件3、4；26日焊接同側(cè)相鄰的桿件5；而27日焊接加固桿件7、8，應力時程曲線的變化幾乎可以忽略．

在焊接加固時間內(nèi)，測點的應力波動比較大，主要受焊接熱輸入的影響．加固后，隨時間推移，鋼構(gòu)件慢慢冷卻，測點處的應力值漸漸恢復，接近于原來的基點．詳細的桿件應力信息如表2所示，焊接加固過程中應力水平最高達到10.38MPa，出現(xiàn)于角鋼的VST18測點，H型鋼的上下翼緣及腹板的應力水平均保持在4MPa以內(nèi)，冷卻后構(gòu)件的殘余應力較小，不超過1MPa．

（a）H型鋼

（b）角鋼

圖18?焊接加固過程中構(gòu)件應力時程曲線

Fig.18 Stress-time history curves of components during welding reinforcement

圖19?E軸-桁架C焊接加固順序

表2?桿件應力

Tab.2?Rod stress MPa

焊接桿件時，對相鄰桿件確實會帶來一定的應力響應，焊接熱影響的范圍大致在兩個節(jié)間長度內(nèi)，單個節(jié)間長度為4m．但影響水平較小，相鄰桿件應力水平上升1MPa以內(nèi)，并隨著焊接過程的冷卻，桿件應力將會下降．焊接熱輸入帶來的影響隨著距離的增大而減小，兩個節(jié)間長度以外，影響可忽略不計.

4?結(jié)?論

本文以空客A321(A330寬體機廠房)的鋼桁架屋蓋加固工程為背景，對其焊接加固過程進行了監(jiān)測，分析研究在焊接加固過程下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要得出以下結(jié)論．

(1) 針對鋼桁架出現(xiàn)的加固需求，采用4片角鋼加固，角鋼的分肢與H型鋼的翼緣、腹板分別焊接，符合適用性、經(jīng)濟性、安全性的要求．

(2) 焊接加固過程中，離焊接部位較近處，截面應力應變波動大，由于只對個別構(gòu)件進行監(jiān)測，具體影響的范圍和幅度有待繼續(xù)研究．

(3) 由腹板處應力時程曲線發(fā)現(xiàn)，每焊接新的一條焊縫時，腹板應力均會出現(xiàn)先下降、后上升的趨勢．加固角鋼的存在對原有型鋼構(gòu)件起到了承擔應力的作用，驗證了該焊接加固方式的合理性和可靠性，為類似工程的加固設計提供參考．角鋼在焊接加固時，焊縫相近的測點壓應力水平增加，但變化均較小，焊接熱輸入對角鋼焊接影響較?。?/p>

(4) 焊接加固時，對相鄰桿件確實會帶來一定的應力響應，焊接熱影響的范圍大致在兩個節(jié)間長度、8m范圍內(nèi)，且隨距離增大而減小，影響水平均較小，在1MPa以內(nèi)．

(5) 由于實際工程施工影響因素過多，焊接過程時有意外發(fā)生，但應盡可能滿足對稱焊接加固，并采取合理的焊接加固順序，以減少焊接過程中殘余應變的影響．

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Monitoring and Analysis of the Structural Performance of the Airbus A330 Wide-Body Plant During Welding Reinforcement in Tianjin

Chen Zhihua1，Wang Zhaozhu1，Liu Hongbo1, 2，Chen Yu3，Yang Xiangyi3，Zhang Xiaoguang4

(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. School of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，China；3. Tianjin Tianbao Construction and Development Co.，Ltd.，Tianjin 300308，China；4. Tianjin Construction Technology Co.，Ltd.，Tianjin 300499，China)

The reinforcement method of large-span steel trusses primarily adopts the method of welding reinforcement and increasing the cross-section. For the load welding reinforcement of the overall structure of the large-span steel truss roof，the Tianjin Airbus A321(A330 wide-body machine building)roof is taken as an example. The reinforcement method adopts four pieces of angle steel，and the limb is welded with the flange and web of the original H-section steel. Practical approaches for welding reinforcement and monitoring have been developed to monitor the stress and strain of critical structural members during the welding reinforcement process. Based on the monitoring data，the stress-response laws of medium steel and reinforced angle steel during welding reinforcement are analyzed，the effectiveness of force transfer for steel truss beams strengthened by angle steel welding is verified，and the impact range resulting from welding heat input is assessed. Results reveal that the local high-temperature heat-affected zone causes stress redistribution during load welding，and the presence of reinforced angle steel plays a corresponding role in bearing the original steel section members. The safety of the structure during welding reinforcement can be guaranteed. Moreover，by monitoring the stress and strain of adjacent rods during welding reinforcement，the analysis suggests that the welding heat influence is within the range of two joints，and the stress response is small.

steel truss girder；load status；welding reinforcement；field monitoring

TU393.3

A

0493-2137(2024)04-0335-08

10.11784/tdxbz202304037

2023-04-16；

2023-06-23.

陳志華（1966—??），男，博士，教授，zhchen@tju.edu.cn.

劉紅波，hbliu@tju.edu.cn.

河北省杰出青年基金資助項目(E2021402006).

Hebei Province Outstanding Young Fund(No. E2021402006).

(責任編輯：金順愛)