加固新增设备钢结构厂房的有限元分析

陈　东，　夏桂娟

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥　230022)



加固新增设备钢结构厂房的有限元分析

陈东，夏桂娟

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥230022)

摘要：由于目前越来越多的工业厂房需要增加新的使用功能，而增加的设备荷载已经超过原结构的正常使用承载能力，故需对原钢结构进行加固。本文采用钢梁底部附加预应力筋和钢梁底部加设支撑方法。为了验证此两种加固方法的可行性，并分析出最优方案，本文以山西某电力设备有限公司新建工业区工程项目为例采用了有限元分析软件ANSYS12.0对两种加固方案进行数值模拟。对两种方法在施加相同的荷载作用下对结构的受力性能进行分析。结果表明，预应力筋加固法不仅能极大的满足结构的应力变形要求，而且省工省料，施工难度小，重量更轻，所以预应力筋法比增设支撑法更合适。预应力筋加固法是未来钢结构加固方法的趋势。

关键词：钢结构；预应力筋法；增设支撑法；有限元分析

0引言

钢结构已被广泛应用于工业建筑，随着工业生产技术的提高，很多在用的工业厂房已无法承受新的设备荷载，故需对厂房进行加固。钢结构加固方法主要有：降低荷载、调整计算模型、增加截面尺寸和构件节点强度、阻止裂缝展开等，其施工方法主要有：负荷加固、卸荷加固、拆除原结构上老旧构件或使用新的构件进行加固。钢结构的加固设计应该考虑到经济效益和施工可行性，避免损伤干扰到原来的结构，尽量在原结构的基础上进行加固。朱小明以某电厂脱硝钢支架结构的加固设计为例探讨了通过拼接柱构件，并在柱腹板和梁翼缘之间设置加劲板，将现有钢粱穿越新立钢柱的节点连接，其中新立钢柱和现有钢梁节点采用不截断钢梁、拼装柱构件的梁穿柱施工方法。邓军等通过对采用这两种预应力技术的CFRP板加固钢梁进行受力分析，推导了计算加固钢梁弹性抗弯承载力的方法，并给出了计算承载力及所需CFRP截面面积的计算公式，计算中考虑了加固前负载的作用；提出了两种预应力法的有效预应力和预应力损失的计算方法；通过算例，讨论了各项参数对抗弯承载力及预应力损失的影响。研究结果表明，采用预应力加固技术比无预应力加固技术更进一步地提高了梁的承载力；两种预应力方法的预应力损失率是相同的；并且预应力损失率不随预应力大小而改变，仅受截面尺寸和材料性能的影响。吴涛通过对预应力碳纤维布加固钢梁运用组合梁和钢梁塑性理论进行分析，并提出了其抗弯承载力计算公式，分析了在第二次加载后对其抗弯承载力的影响；同时还运用虚功原理和连续二次积分法求出了试验梁的挠度计算公式。将理论分析结果与试验结果进行了对比，两者刚好吻合。

本文将以某厂房钢结构加固设计为例，应用钢梁底部加固预应力筋或支撑并用刚性节点连接成整体的加固技术。使用刚性节点能增强原有结构和加固构件的连接，使得原有结构构件和加固构件之间能有效地协同作用。为了验证这两种加固方式的可行性，本文采用了有限元分析方法分析了加固后连续钢梁的变形和受力情况，评估影响加固后连续钢梁挠度大小的主要因素，并对钢结构加固方案进行比选，寻求可以应用于工程实践中最佳的加固方案。

1加固方案

某单层工业厂房，采用钢排架结构，屋面为单脊双坡，屋面、墙面采用彩色压型钢板，并要求屋面进行整体气密性处理。柱网尺寸为20m×8m，厂房长度、宽度各为80m，厂房钢梁平面布置图如图1所示。设计采用的恒荷载标准值为5.0KN/M，活荷载标准值为3.6KN/M。钢架梁的挠度容许值为L/360，檩条的挠度容许值为L/150，墙梁水平方向的挠度容许值L/100，山墙柱水平方向的挠度容许值为L/400。而在增加设备荷载后，由于设备荷载的自重使钢架梁的挠度值已经超过其挠度容许值，并且变形趋势还在明显扩大。在通过第三方检测发现部分钢架梁发生明显扭曲、变形，结构处于不安全状态，故需要对结构进行加固。

图1厂房平面布置图

1.1　预应力筋加固方案介绍

预应力筋加固法就是将施加过预应力的钢筋加固到钢梁下部连接成整体，使原结构受到与原来的应力符号相反的应力，从而抵消了结构原有的部分应力，减小内力最大值，提高构件或结构的承载力；同时能有效改善结构的变形性能，减少结构或构件的跨中挠度，提高结构的稳定性和刚度。

预应力筋加固法的具体内容有：预应力筋采用Q235钢筋，并采用后张法施加预应力；加固方法为在钢框架平面内即平行于钢框架跨度方向的相邻两节点用两根预应力钢筋连接并通过刚性节点与钢梁连接形成整体，两根预应力筋采用高强螺栓摩擦型连接，预应力筋和原结构的连接采用10.9级高强螺栓摩擦型连接，高强螺栓结合面不得涂漆，采用喷砂处理法，摩擦面抗滑移系数为0.45；待预应力筋安装就位校正后，须采取将螺栓丝扣打毛或与螺母焊接等措施，以防止松动。

1.2　增设支撑法加固方案介绍

增设支撑法即通过增加支撑，使结构或构件与支撑形成整体空间结构一起承受设计荷载作用并按空间结构进行验算。此方法能有效的使荷载均匀传递，减小产生应力集中的现象，使结构受力更加均匀、稳定。

增设支撑加固法的具体内容有：加固方法为在在钢框架平面内即平行于钢框架跨度方向的钢梁下部设置支撑并形成桁架体系并通过刚性节点与原结构形成整体；支撑采用Q235钢筋，支撑与原结构的连接与预应力筋相同，但支撑之间的连接应用自动焊接，焊接Q235钢时,可采用H08A或H08E型焊丝配合中锰型或高锰型焊剂，构件所有焊缝的弧坑必须填满，钢材上不可有肉眼可见的咬肉，宜采用平焊以保证质量。

2有限元模型

利用有限元软件ANSYS对加固的钢结构进行数值模拟，模型的大小和上述的加固方案相同，所有钢材都是Q235。原结构中钢梁的挠度大小仍在弹性变形范围内，则本文采用线弹性各向同性模型，服从Von Mises屈服准则，如图2所示。本模型的所有钢材的初始弹性模量Es=2.06× 105MPa，屈服强度fy=235MPa，泊松比为0.3，密度=7850kg/m3。

图2Q235应力-应变曲线

钢梁、柱、均采用Beam188单元，Beam188单元是3维线性有限应变梁单元，适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。而支撑构件以及预应力筋采用Link8单元进行模拟，LINK8单元能被应用于桁架，垂缆，杆件，弹簧等。这个三维的杆单元只能承受单轴的拉压，单元每个节点上有三个自由度：x，y，和z方向的位移。模型底部均采用全约束，并约束钢框架平面内的水平位移，钢梁两端约束和构件节点连接按刚性约束设计。在恒载和活载(不含风载和地震作用)基本组合作用下即1.2*恒载+1.4*活载=11.04KN/m以及附加设备荷载自重(太阳能为2.0KN/m，水冷空调为8.0KN/m)下分析结构的变形和应力值。

图3预应力筋法有限元模型

在增设支撑法中，加固的支撑杆件采用Link8单元模拟，各支撑的连接采用理想铰接模拟分析。所谓理想铰接，既梁与柱之间没有弯矩的传递，就转动而论，用铰连在一起的梁和柱将相互独立地转动。一般在外力作用下，柱梁轴线夹角的改变量达到理想铰接的80%以上的连接视为铰接。增设支撑法的有限元模型如图4。

图4增设支撑法有限元模型

3计算结果分析

从表1—表4及图6可知，在钢架平面内，未加固时钢梁的最大变形值和应力值分别为0.104m及0.245×109Pa，钢柱最大变形和应力值分别为1.831×10-2m及0.198×109Pa，由前述可知已经超出了应力变形限值，且钢梁的应力变形大于钢柱的，不符合强柱弱梁的规定。则需对厂房进行加固。

3.1　预应力筋法

从表1—表4可以看出，在钢架平面内，预应力筋法加固钢梁后的最大变形值和应力值分别为0.474×10-2m及0.258×107Pa，钢柱最大变形和应力值分别为0.221×10-2m及0.336×108Pa。根据检测报告可知，钢架梁的挠度容许值为L/360=0.556×10-2m>0.474×10-2m，可以得出预应力筋法已经极大的满足钢架梁的变形要求。而Q235钢的屈服强度为235×109Pa，故整个结构处于安全状态。

表1　钢柱最大von Mises 应力值计算结果(单位：Pa)

表2　钢柱最大变形值计算结果(单位：M)

表3　钢梁最大von Mises 应力计算结果(单位：Pa)

表4　钢梁最大变形值计算结果(单位：M)

由图6、7可以看出：(1)用预应力加固后钢梁的变形明显减小且钢柱受到更大的应力，满足强柱弱梁的定义。(2)结构变形的最大值发生在钢梁跨中，而钢梁产生的应力却很小。这是由于，在均布荷载作用下，梁的两端被锚固在结构中，约束了梁端的变形，而越离节点越远所受到的约束越小，从而跨中的挠度最大；钢梁受到均布荷载作用后，通过节点将荷载传递给钢柱，所以表中钢柱的应力大于钢梁的应力。(3)结构产生的最大应力发生在中部的钢柱，这是由于边柱上只有一根钢梁传递下来的荷载，而中柱是承受两根钢梁传递的荷载。

图6一榀框架未加固时应力变形图

图7一榀框架预应力筋法应力变形图

模型的计算结果证明预应力筋加固方案即采用预应力加固连续钢梁可以调整梁跨中及支座内力分布，使结构受力均匀，从而提高承载力。

3.2　增设支撑法

由表1-4，可以看出，在钢架平面内，用增设支撑法加固钢梁后的最大变形值和应力值分别为1.400×10-6m及1.028×104Pa，钢柱最大变形和应力值分别为0.904×10-6m及1.508×104Pa。根据检测报告可知，钢架梁的挠度容许值为L/360=0.556×10-2m>1.400×10-6m，可以得出增设支撑法已经极大的满足钢架梁的变形要求。而Q235钢的屈服强度为235×109Pa，故整个结构处于安全状态。

由图8可以看出，(1)钢梁两节点间的中部变形最大，钢梁变形极小；因为支撑能使各跨钢梁更好的连接成整体，减小局部变形；(2)厂房钢柱应力均匀分布并且中柱应力比边柱要大。这是因为中柱承受更多的构件以及支撑的自重，所以中柱受到更大的力。

图8一榀框架增设支撑法应力变形图

增设支撑法能有效降低结构所受到的应力以及减小结构的挠度大小，且能够有效传递结构荷载，梁穿柱节点总体受力均匀，满足结构承载力设计要求。但是从经济性和施工可行性来说，增设支撑法费工费料，施工操作也较为繁琐。

4结论

本文针对山西某电力设备有限公司新建工业区工程项目所出现的因为增加新功能而承载力不够的情况并考虑加固的经济性、施工可行性等因素，提出了2种加固比选方案：预应力筋加固法和增设支撑法。从图9～14可以看出，两种加固方法与加固前比较皆使厂房结构受力性能满足规范所规定的要求。虽然增设支撑法比预应力筋加固法能够更有效的使结构变形和受力减小，但是增设支撑法变形以及应力分布不均匀，容易产生应力集中现象，且比预应力筋法更费料费工，从经济性和施工可行性来说是相当不合理的。

图9预应力筋法GL2应力变形图

图10增设支撑法GL2应力变形图

图11预应力筋法GZ3应力变形图

图12未加固时GL2应力变形图

图13增设支撑法GZ3应力变形图

图14未加固时GZ3应力变形图

综合以上加固方案的特点及数值分析结果，推荐预应力筋法对厂房结构进行加固，该方案施工难度相对较低、可操作性较强、工程量小、不影响工厂的正常作业，且加固后对厂房结构的变形和受力也能满足使用要求。

参考文献

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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

中图分类号：TU393.2

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)02-0014-06

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150203

作者简介：陈东(1981-),男,博士，副教授，主要研究方向为空间结构抗震。

收稿日期：2014-12-24