负载下焊接加固通信铁塔轴力构件非线性屈曲性能研究①

苑士岩，沈之容

(同济大学建筑工程系，上海200092)

0 引 言

由于通信技术的不断发展，通信角钢铁塔已被广泛应用，而随着使用期的增长或天线设备的增加，必然会使既有结构不能满足新的使用要求，这时通常需要对结构进行加固改造.根据加固时的施工方法不同主要有:负荷加固、卸荷加固以及从原结构上拆下加固或更新部件进行加固［1］.其中负载下焊接加固方法在钢结构加固领域中应用的最为普遍［4］，因为这种加固方法基本不影响正常的生产生活，有较好的经济效益，而且施工过程也比较方便.

本文通过加固角钢构件与被加固角钢构件紧贴焊接，从而达到对负载下角钢构件加固的目的.利用ANSYS 有限元分析软件间接热－结构耦合分析来模拟负载下焊接加固过程，并采用移动高斯热源模型来反应真实焊接过程.重点考察初始负载大小对焊接加固后截面应力分布以及钢构件非线性极限荷载的影响，并对不同长细比钢构件加固效果进行比较，为角钢构件的加固方法提供参考依据.

1 计算模型

本文为研究负载下焊接加固通信铁塔轴力角钢构件的受力性能，选用的被加固角钢截面为L80×6，加固角钢截面为L62×6(对肢尖做削平处理后)，通过两条角焊缝将二者焊接在一起，具体形式如图1 所示.被加固及加固角钢均采用Q235 钢材，采用角焊缝的焊脚尺寸为4mm.

图1 加固方式

杆件加固后的截面形式不变，见图1，长度分别为1.0m，1.2m 以及1.5m;初始负载分别为0.2fy，0.3fy，0.4fy，0.5fy，0.6fy.

2 有限元模型

2.1 焊接过程有限元分析

由于影响焊接应力应变的因素有焊接温度场和金属显微组织，而焊接应力对它们的影响很小，所以仅考虑单向耦合问题，即焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响，而不考虑应力场对它们的影响.

焊接热源采用移动高斯热源模型，其中高斯热源模型是指输入热流密度沿加热中心的半径方向为高斯函数分布，如图2 所示.实践证明，采用热流密度为高斯分布的表面热源，可以获得满意的温度场结果，进而得到较好的应力、应变结果［6～8］.本文采用函数加载功能来模拟热源的移动，此方法的优点在于，不必在每次加载热流密度时都必须知道被加载单元，而只要知道焊缝的起始位置就可以，ANSYS 软件可以根据所加的函数自动计算出下一个被加载单元.

图2 高斯热源分布

2.2 材料热物理性能

各温度下钢材的材料特性和应力应变关系如图3 所示［9］.常温下(20℃)Q235 钢材的弹性模量为E=2.06×105MPa，屈服强度fy=235MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，对流系数取25W/(m2·K).其他热物理参数［9］见表1.

图3 Q235 各温度下应力应变关系

表1 材料性能参数

1000 1.34 670 30 7490 1500 1.33 660 35 7350 1700 1.32 780 140 7300 2500 1.31 820 142 7090

2.3 建立有限元模型

模拟分析采用ANSYS 中的热－结构单元:SOLID70 和SOLID185 单元，SOLID70 为热实体单元，建立构件的热模型，用于模拟焊接过程随时间变化的温度场，在热分析中采用拉伸单元方法，所以还要使用平面热单元PLANE55.

ANSYS 建立的有限元模型如图4(a)所示，本文采用MPC 多点刚性约束的方法来模拟杆件端部铰接节点，此方法可较真实地模拟两端铰接的约束状态，如图4(b)所示.

考虑最大初弯曲为L/1500［5］，按特征值屈曲分析得到的第一阶屈曲模态各节点的位移特征值向量将初始几何缺陷施加到角钢构件上，并施加1.2 倍特征屈曲荷载以“激发”非线性屈曲分析［5］.

3 计算结果

3.1 焊接加固后角钢应力分布

通过ANSYS 数值模拟分析负载下焊接加固角钢构件过程，获得1m 长度杆件一半高度处加固角钢以及被加固角钢截面的应力分布.选取角钢拐点位置为零，将角钢展开为平面，零点左侧为负，右侧为正，将角钢上各点处的应力值绘于图5 中.

从图中可以看出:

(1)加固角钢肢尖截面的应力基本上达到了受拉屈服;而角钢肢尖截面外的其余部位除了0.6fy的情况外均表现为较大的压应力.

(2)加固角钢在初始应力小于0.4fy情况下，随着初始应力的增大，加固角钢的压应力的极值以及分布面积逐渐增大;当初始应力达到0.5fy和0.6fy时，由于构件严重弯曲以及焊接残余应力影响，致使加固角钢肢背截面处出现压应力减小甚至出现拉应力的现象.

(3)被加固角钢初始应力小于0.4fy情况下，随着初始压应力的增加，被加固角钢的压应力分布面积越来越大，而且最大值也逐渐增大;初始应力达到0.5fy以后，压应力最大值达到屈服强度而不再增大，但是压应力分布区域却仍然在增大.

3.2 不同初始应力下构件受力性能

对长度为1m 的结构构件，分别取0.2fy，0.3fy，0.4fy，0.5fy，0.6fy作为初始负载，进行非线性屈曲分析，获得构件上的荷载与构件中部x 方向水平位移之间的关系曲线，如图7 所示;构件变形图绘于图6 中.

图5 角钢焊接加固后应力分布

图6 构件的极限变形ux(m)

图7 不同负载下荷载－位移曲线对比图

从图中可以看出:

(1)随着初始负载的增大，杆件的极限荷载逐渐减小;在初始应力小于0.4fy的情况下，极限荷载下降的不是很明显，而初始应力超过0.4fy时，极限荷载下降较为明显.

(2)初始应力为0.2fy时，其极限荷载为178.84kN，当初始应力为0.6fy时，其极限荷载为164.86kN，极限荷载减小了7.82%.

(3)初始负载为0.5fy和0.6fy时，荷载－位移曲线出现了较为明显的水平段，这主要是因为角钢构件在焊接加固过程中，初始负载不变，但由于热输入的影响，构件的变形继续发展;而且其表现出的规律为:随着初始负载的逐渐增大，水平段的长度也随之增大.

3.3 不同长细比下构件受力性能

分别取1.0m，1.2m 及1.5m 长度的杆件，在0.2fy，0.3fy，0.4fy，0.5fy，0.6fy的初始负载作用下，经过焊接加固后冷却至室温，然后继续加载直至最终破坏，从而获得了各种不同情况下的构件极限承载力及此时一半高度处节点最大水平向位移，并计算杆件极限承载力下降幅度，具体详见表2 至表4.

表2 杆件长度为1m 的计算结果

表3 杆件长度为1.2m 的计算结果

表4 杆件长度为1.5m 的计算结果

从表2 至表4 可以看出:

(1)随着长细比的增大，在初始负载相同的情况下，杆件的极限承载力逐渐减小，这主要是由于随着杆件长度的增大，初始几何弯曲也会越来越大，而且焊接加固后中热输入的影响较为明显，从而导致其承载力的降低.

(2)杆件的长度不同，随着初始负载的增加，极限承载力的下降幅度也不同;通过的对比可知，除初始负载为0.5fy、长度为1.5m 的杆件外，极限承载力下降幅度最大的是长度为1.2m 的杆件，所以焊接加固效果与杆件长细比有关，而且两者不是正相关，焊接加固的杆件存在最优长细比.

4 结 论

(1)采用MPC 多点刚性约束的方法来模拟杆件端部铰接节点可以得到较好结果，此方法可用于非线性分析中，而且不会使杆件端部产生应力集中现象.

(2)采用移动高斯热源模拟焊接加固过程，可以获得满意的温度场结果，进而得到较好的应力、应变结果.

(3)初始负载下焊接加固至最终冷却，加固角钢与被加固角钢之间发生了较明显的应力重分布，而且随着初始负载的增大，加固角钢所分担的压应力逐渐增大;在初始负载过大的情况下，焊接加固过程中，虽然杆件在初始负载不变，但弯曲变形仍在增大，使得加固角钢肢背处压应力减小，甚至出现拉应力的现象.

(4)在杆件长度不变时，随着初始负载的增大，杆件的极限承载力逐渐减小;在初始负载相同的情况下，随着杆件长细比的增大，其极限承载力也会逐渐减小.

(5)负载下焊接加固效果与杆件长细比并不是正相关，所以对于加固完成后的某种截面形式，存在最优长细比.

［1］ 中国工程建设标准化协会.CECS77:96 钢结构加固技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2005.

［2］ Tall L.The Reinforcement of Steel Columns［J］.AISC Engineering Journal，1989，26(1):33－37.

［3］ Marzouk H，Mohan S.Strengthening of Wide－Flange Columns Under Load［J］.Canadian Journal of Civil Engineering，1990，17(5):835－843.

［4］ 王元清，祝瑞祥，戴国欣，等.负载下焊接加固钢柱截面应力分布有限元分析［J］.沈阳:沈阳建筑大学学报:自然科学版，2013，29(4):1－7.

［5］ 龚顺风，程江敏，程鹏.加固钢柱的非线性屈曲性能研究［J］.钢结构，2011，26(11):15－19.

［6］ 拉达伊D.焊接热效应—温度场、残余应力、变形［M］.熊第京，郑朝云，译.北京:机械工业出版社，1997.

［7］ 武传松.焊接热过程数值分析［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1990.

［8］ 陈楚.数值分析在焊接中的应用［M］.上海:上海交通大学出版社，1985.

［9］ 李冬林.焊接应力和变形的数值模拟研究［D］.武汉:武汉理工大学，2003.