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广州钢结构:固钢结构柱的非线性屈曲性能研究

责任编辑:admin人气:116发表时间:2020-4-14

   概述
  钢结构已广泛应用于工业和民用建筑,随着工业生产技术的不断改进,服役期的工业厂房不能满足新的使用要求,通常需要对钢结构进行加固改造。
  目前钢结构的加固方法主要包括:减轻荷载、改变计算模型、加大原有结构构件截面和连接强度、阻止裂纹开展等,其施工方法主要有:负荷加固、卸荷加固、从原绪构上拆除构件加固或更新构件进行加固口]。
  钢结构加固设计应综合考虑经济效益,尽可能减少停产导致的损失,不损伤原有结构,避免不必要的拆卸和更换,因此满足上述条件的负荷下焊接加固技术被广泛采用。苏庆田口1等在宝钢二号高炉炉体框架的加固设计中运用了多种加固方法:工字型截面改为箱型截面;工字型截面外包矩形钢箱;在荷载作用点增设柱子等。由于焊接残余应力对结构的不利影响,以及大面积钢板焊接产生的空鼓等缺陷,近年来,碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土构件的技术逐渐被应用到钢结构加固领域,国内外
  对CFRP加固钢结构也开展了较多的研究。
  焊接加固和CFRP加固都是通过增大构件的刚度,以提高构件的承载力和稳定性。然而纤维增强复合材料直到破坏都基本表现为线弹性,这与传统钢材的力学性能有较大差别o钆。特别是沿海城市和化工产业的工业建筑,CFRP的耐久性面临着严峻的考验。一定时期内,传统的焊接加固技术仍将被广泛应用于钢结构加固领域。
  钢结构柱加固是钢结构加固设计中的一个重要环节,比较常见的一种加固方法是在钢结构柱翼缘外侧贴焊钢板。国外对此已开展了较为深入的研究,Tall[9]认为当加固钢板的宽度大于钢结构柱翼缘时,翼缘的焊接残余应力从压应力变为拉应力,从而能够提高热轧工字型钢结构柱的承载力;Unterweger[10J考虑了截面塑性区的发展,引入了钢结构柱截面弯曲刚度下降的修正系数;Wu-”。采用ABAQUS软件计算了315个加固钢结构柱,分析了长细比、残余应力、初始缺陷、不同加固截面等因素对加固钢结构柱的影响,但是其有限元模型没有考虑到加固钢板和钢结构柱翼缘之间的接触,不能真实地模拟两者之间的共同作用。国内对于这种加固技术的理论研究还比较欠缺,苏庆田旧1等虽然提出了针对性的加固方案,并对不同的荷载组合工况进行了内力验算,但是其内力验算实质上是构件截面刚度的替换,没有考虑到加固钢板与原有结构构件的焊接和内力重分布,不能真实地反映出加固后构件的受力性能;刘礼华12_等建立了某组合钢结构柱的有限元模型,分析了组合钢结构柱的破坏形式,但没有对捉出的加固方案进行数值模拟分析或试验研究。
  本文以某电厂脱硝钢支架结构的加固设计为例,应用钢结构柱翼缘外侧贴焊钢板的加固技术。通过对加固钢板布置孔洞,增强钢结构柱翼缘和钢板的连接,较好地解决了大面积钢板焊接产生的空鼓问题,使得原有结构构件和加固钢板之间能有效地共同作用。为了验证该加固技术的可行性,本文采用有限元法分析了加固后钢结构柱的受力性能,通过耦合模拟翼缘和钢板之间的焊接,并设置接触模拟两者之间的共同作用。现有的理论表明L13-,初始缺陷能降低轴心受压构件的稳定临界力,被加固的原有钢结构柱由于服役期较长,结构必然存在初始缺陷,钢结构柱承受的荷载达到临界荷载时就会发生极值点失稳。极值点失稳的破坏形态唯一,失稳时的临界荷载即是构件能承受的最大荷载,不存在分枝现象,也不存在屈曲后的承载力。因此,确定构件的极值点失稳临界荷载对加固后钢结构柱的设计具有重要的意义。本文将重点考察加固钢板厚度和负荷大小对加固后钢结构柱非线性屈曲极限(临界)荷载的影响,评估影响加固后钢结构柱稳定性的主要因素,并对不同长细比钢结构柱的加固效果进行比较,为钢结构柱的加固方案设计提供理论基础。
  加固方案
  某电厂三层钢支架,高19.5 m,由于新增SCR反应器等脱硝谩备,需要在原有钢支架上部新立脱硝钢支架结构。脱硝钢支架设计高度50.6 m,两个SCR反应器质量约1 200 t,并且支撑点位于高度38.0 m处,服役时间较长的原支架难以承受新增SCR反应器等设备的自重和操作荷载。由于业主单位要求尽可能减少经济损失,选择原有设备不停产,因此对钢支架采用负荷加固的方案,钢结构柱加固采用在翼缘外侧贴焊钢板的方法。
  截面为H450×450×16×16、高8m的某底层边柱,下端与基础铰接,上端刚接,在最不利荷载组合工况作用下,构件的强度和稳定性均不满足设计要求,需要对该钢结构柱进行加固。加固钢板沿柱翼缘外侧铺设,两侧预留25 mm的焊接空间,两端预留oO mm,厚度f取lO mm,纵横方向每间隔200 mm布置直径30 mm的孔洞,孔洞处与钢结构柱翼缘进行满焊,钢板两侧采用角焊。梁柱节点处,梁上部和下部每侧通过两个纵向加劲肋将加固钢板和梁翼缘连接,梁翼缘间通过两个纵向加劲肋将柱翼缘和梁翼缘连接;柱脚处,通过两个纵向加劲肋将柱脚底板和加固钢板连接。

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