在役大跨度钢结构节点不卸载补强研究

时间：2024-09-03

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 430070)

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14个，本工程主体钢结构采用Q345B材质，用钢量约为3860 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ANSYS[1]，采用Solid92单元，考虑材料非线性[2]，耳板厚度50 mm，屈服应力265 MPa，弹性模量210 GPa，切线模量1.45 GPa[3]。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

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1=-2961.73 kN，F杆2=-1559.95 kN，F杆3=46.81 kN，F杆4=-1919.22 kN，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]。

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=-4852.01 kN，F杆2=-2443.92 kN，F杆3=157.68 kN，F杆4=-3366.27 kN，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Q345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[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[6]，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[7]，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[8]。

补强结构为30 mm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Solid92单元，考虑材料非线性，屈服应力295 MPa，弹性模量2.1 GPa，切线模量1.45 GPa[3]，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ANSYS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239.825 MPa，应力水平控制在Q345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24.5%～36.3%，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100 MPa左右，在Q345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。

表1 补强前后关注区域等效应力