H型钢柱的加固

商晓彤　甄国梁

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛　266590)



H型钢柱的加固

商晓彤甄国梁

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛266590)

分析了H型钢柱的强度，探讨了钢柱的负荷加固技术，对钢柱加固中的实际问题进行了研究，指出对于柱的承载力设计值来说，必要的加固措施是安全可行的，当加固焊缝尽可能接近翼缘边缘时，加固效果最好。

钢柱，应力，焊接，加固

0　引言

钢柱结构往往需要比初期设计时更高的承载力，若此时柱已安置稳妥，则加固就要在负荷情况下进行或者卸载后再加固。

钢柱可用连接钢板进行加固，或者进行焊接改变残余应力的分布形式，也可以将两种方法相结合。连接钢板的加固效果已有过大量研究，这里不再赘述。文章着重介绍焊接加固。研究结果仅适用于施加静力荷载的宽翼缘冷轧H型钢柱。在某些特定情况下，只能通过焊接改变残余应力的分布达到加固的效果。

1　H型钢柱的强度

受压钢构件的强度是一个关于多参数的函数，这些参数包括屈服点、构件有效长度、偏心距、残余应力的大小及分布等，虽然这些参数都很重要，但残余应力的大小和分布需着重考虑。残余应力是构件焊接冷却后产生不均匀温度场，使结构发生塑性变形而引起的内部应力。由于残余应力在施加荷载之前就存在，所以它会使结构原本应有的承载力降低。横截面内的残余拉应力和残余压应力是平衡的，只有残余压应力会降低H型钢柱的抗压强度。然而无论怎样，有一点可以确定，改变残余应力的分布形式，可以将构件改造得更为“优良”，这里的“优良”指的是将构件的抗压强度损失降到最低(值得注意的是，一种有利的分布形式只是可以减少残余应力对结构的负面影响，但是残余应力的存在并不会提高构件本身的强度)。将残余应力的分布形式改变得对结构更有利，最简单的方法是通过高温、焊接或者气割。焊接和气割都是将热源集中输入构件，产生高度不均匀的温度场，由此产生较大的残余应力，残余应力的屈服点位于焊缝处或气割切口的边缘。对结构有利的残余应力分布在残余拉应力所在的部位，这样一来横截面的关键部分在压力作用下仍会保持弹性状态。

在构件无其他加固措施且忽略焊缝自身强度的情况下，柱翼缘边缘的焊缝可将屈服点处的残余压应力变为残余拉应力，这将显著提高柱的承载能力。

所谓的H型钢柱加固，即是将加固钢板焊接在钢柱的翼缘板上，两者结合后的构件强度与只有焊接加固时相比会有很大幅度的提高，这是钢板和残余应力重分布共同作用的结果。Lambert Tall使用H203×203 mm×7 mm×11 mm的构件及178 mm×178 mm×9 mm的加固钢板进行实验，结果显示，加固后的构件强度提高了10%，由于实验中的强度对应的是整个截面面积的屈服强度，故真实强度应该会高于试验数值。

焊接过程会减小翼缘端部的原始残余拉应变，到最后阶段，此部位的残余应力都变为拉力(或者偶尔出现非常小的压力，这主要取决于焊缝参数和构件几何尺寸)，如此一来，材料在荷载作用下仍处于弹性状态，故残余应力的最终分布形式是对结构有利的。

2　钢柱的负荷加固

许多柱需要在没有安全保证的条件下进行负荷加固，这种做法并不可取，如果不得不采取这种做法时，要事先进行安全性分析。

在负荷情况下进行加固，为避免横截面受焊接温度的影响，万不可采取横向焊接。更要注意的是，每次只能对一个钢柱翼缘进行纵向焊接，以保证每次焊接只有一个翼缘横截面处于弹性状态。

翼缘端部的塑性变形取决于焊接时的热量输入及焊接工艺(包括焊接速度、焊缝尺寸等)。对于一块12 mm厚，100 mm宽的翼缘板，分析其近似温度场的曲线可知，屈服强度是关于温度的函数，Q235的钢材，在温度超过283 ℃后，屈服强度降低到151 MPa，距离边缘焊缝的最大距离保持在25 mm以内。对于其他厚度宽度更大的翼缘板，屈服强度的降低对其影响并不明显，因为焊缝在体积较大的翼缘板中更能保持其原有的形状尺寸。

基于以上讨论可知，对于Q235钢材，如果钢柱的工作荷载所对应的容许应力值未超过151 MPa，那么在不卸载情况下进行焊接是安全的。

此后对柱进行纵向弯曲强度分析(屈曲分析)表明，距离翼缘端部25 mm的部位已经发生屈服并失去了抗弯曲能力。这说明，不对称横截面上的偏心荷载会引起梁—柱的双轴弯曲，这是一种仅发生在长柱结构中的复杂现象。

对H型钢柱负荷加固的研究结果显示，焊接过程对已承受172 MPa压力的构件没有显著影响。因此可以得到如下结论：焊接过程仅仅对焊缝临近的小部分区域有影响，其他大部分区域的材料性能并不会降低。由于在焊缝作用下，横截面发生的塑性变形与柱截面的增加值相比相对较小，所以对负荷状态下H型钢柱的加固要使用纵向焊接。然而，最终结论的确定仍需要进一步的研究结果。

研究加固前后残余应力的分布形式发现，在加固构件中，无论负荷状态还是卸载状态，残余应力的分布是完全相同的。

3　实际问题

若想要使残余应力的分布对结构有利，则用于构件连接的钢板，其宽度应有相应的尺寸下限，但不需要明确的尺寸上限。若加固钢板略窄于翼缘，则钢板宽度最小不能少于翼缘宽度减去预留的焊接空间宽度，这是为了使焊缝尽可能地接近翼缘边缘，以至于有效地将残余应力转换为拉力。若盖板宽于翼缘，则其尺寸按照日常宽厚比限制条件进行设计即可。

尽管在加固钢板的任何位置进行焊接都是可行的，但正如前文所说，只有焊缝距离构件翼缘边缘最近时加固效果最好，因此随着翼缘端部压力的增大，在靠近翼缘和腹板连接的位置会产生额外的残余拉应力。残余应力的存在会减小构件强度，而加固钢板的使用可降低这一不良影响。

通常情况下，气割钢板常被用作加固钢板，对于和翼缘有相似尺寸的加固板来说是否为气割钢板并不是必要条件。由于焊接需要构件翼缘和加固板的同时参与，所以加固钢板有足够的宽度这一点显得尤为重要。在提高构件强度方面，残余应力的有利分布主要是由加固钢板的气割引起的，而焊缝本身基本不提供强度。

焊接时不建议使用间断焊，在翼缘端部使用间断焊不仅不会达到预期效果，还会起到相反的作用。

4　结语

将加固钢板焊接在H型钢柱翼缘对柱进行加固通常会提高柱的强度，这是钢板和残余应力重分布共同作用的结果。

H型钢柱翼缘端部的焊缝使残余应力以有利于提高结构承载力的形式进行重分布，这对提高柱的强度有显著影响。

通常情况下，气割钢板更适合作为柱的加固钢板与H型钢柱翼缘进行焊接。

若考虑柱的承载能力设计值，在负荷状态下进行加固是可行且安全的，但加固前需对工作荷载进行核查。

当加固焊缝与H型钢柱翼缘边缘之间的距离最小时，可获得最好的加固效果。

对于加固构件，无论是负荷状态还是卸载状态，加固后的构件强度是完全相同的。

由于残余应力的存在会削弱附加构件对原构件强度的增强作用，所以附加构件(加固钢板)自身的焊缝以及翼缘和腹板之间的焊缝不会为加固构件提供额外强度。

加固钢板与柱翼缘的焊接禁止使用间断焊。

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On consolidation of H-shaped steel columns

Shang XiaotongZhen Guoliang

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

The paper analyzes the strength of the H-shaped steel columns, explores the loading consolidation technique of the steel columns, researches the problems in the steel column consolidation, and indicates the necessary consolidation measures are safe and feasible for the design value of the column loading capacity, so the consolidation is most effective when the welding joint is close to the flange.

steel column, stress, welding, consolidation

1009-6825(2016)21-0042-02

2016-05-13

商晓彤(1990- )，女，在读硕士；甄国梁(1992- )，男，在读硕士

TU391

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