角隅撑加固多层钢结构厂房的设计与分析

王竹林，柳锋，毛苗波

(山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101)

0 引言

钢结构工程因质量缺陷、遭受灾害或事故等原因造成的损伤或损坏将产生安全隐患，有必要对其进行鉴定、加固或修复。近年来，钢结构鉴定、加固或修复的理论研究已较为成熟，加固改造技术研究主要集中在钢结构改扩建工程中的加大原有结构构件截面和加强连接强度2方面，并已在大量工程实践中得到广泛应用[1-4]。但对于一些已建项目进行梁柱加固修复时，将构件拆卸重新安装既不经济又费时费力，而对梁柱节点域采取增加截面强度的加固方法会造成原有焊缝的二次损伤，降低了材料强度，因此如何结合需加固或修复工程的具体情况，选择适宜的加固修复技术仍是目前一个需要探讨的问题。

角隅撑是指在框架梁柱节点附近设置的一端与梁连接、一端与柱连接的斜撑构件。已有的研究表明[5-8]，角隅撑可有效提高结构的整体刚度和承载能力，改善节点区域的应力状态。角隅撑的加固方法既避免了结构构件的拆卸问题，同时又避免了直接在梁柱节点处进行焊接造成的二次损伤问题。文章结合工程实例，就角隅撑应用于钢框架结构的加固与修复进行了探讨分析，为同类工程提供一定的参考价值。

1 工程概况

某机械厂厂房共5层，1层层高为4.5 m，2～4层层高均为4.2 m，5层层高为3 m，结构形式为钢框架结构，采用压型钢板混凝土组合楼板，梁柱节点采用栓焊混合连接。结构三维视图如图1所示，结构平面图如图2所示，为便于观察，图中未标出柱均为GZ1，未标出梁均为GL1。工程完工后经检查发现，梁端翼缘与柱连接部位焊缝存在大量漏焊、未焊满、未焊透等较为严重的焊接缺陷，如图3所示。考虑到结构的安全性能，有必要对原结构进行鉴定与加固。活；(2)1.2恒＋1.4(活＋0.6风)；(3)1.2恒＋1.4(风＋0.7活)；(4)1.2(恒＋0.5活)＋1.3地震＋0.28风。

图1 结构三维视图

图2 结构平面图

图3 梁端翼缘与柱连接部位焊接缺陷图

根据上述设计要求，进行原结构校核计算，计算结果见表2。实际计算表明，结构受第二种荷载组合控制，原结构各项主要计算指标均符合规范要求，原结构设计满足安全性要求。由此确定，可只对梁柱节点进行加固处理。

2 工程厂房原设计复核

工程楼面活荷载为12.0 kN/m2，楼面恒荷载为4.0 kN/m2，当地基本风压为0.55 kN/m2。抗震设防烈度为7度(0.1g)，框架抗震等级为四级。钢材采用Q345钢，混凝土强度等级为C30，构件参数见表1。

厂房所受主要荷载组合为：(1)1.35恒＋0.98

表1 框架柱、梁构件截面参数表/(mm×mm×mm×mm)

表2 结构校核计算主要结果表

3 角隅撑加固多层钢结构厂房的设计与分析

3.1 加固方案的选择

针对梁柱节点连接存在较为严重焊接缺陷的情况，可以选择对焊缝直接修复[9]，或采用梁翼缘贴板[10-11]、梁端加腋[12]等方式进行加固处理。因工程已经完工，上述修复与加固方法均需局部拆除楼板，还需对原焊缝进行清理和重新焊接，其实施难度大，且可能对原结构造成新的损伤，应选择更为适宜的修复与加固方法。

根据对原设计复核和工程实际情况，决定在梁柱节点区附近增设角隅撑对钢框架进行加固处理。

3.2 加固计算

角隅撑采用尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm的工字钢，在柱距梁中心线垂直间距1 200 mm处、梁距柱中心线水平间距1 200 mm处，按45°增设角隅撑。框架梁与H型钢柱弱轴连接如图4所示。

在对框架梁柱节点进行加固处理时，是否对原焊缝进行重新焊接，对加固后的节点受力性能影响不大[13-15]，故不再对原焊缝进行修复。为保证结构安全，在进行加固设计时，将梁柱连接视为完全铰接和完全刚接2种情况分别计算，进行包络设计。

图4 框架梁与H型钢柱弱轴连接图

加固后的结构计算结果见表3。梁柱采用铰接节点和采用刚接节点计算的结果差别不大，加固后结构的应力分别减小了12.2%和13.4%，位移分别减小了6.89%和13.7%，其他各项指标均满足规范要求。

表3 加固后结构计算主要结果表

3.3 加固后的节点分析

为了解角隅撑与梁柱连接处的受力状态，避免产生薄弱部位，以最不利的1层⑥轴为控制框架，对⑥轴/Ⓑ轴连接处的梁柱节点进行最不利荷载工况下的数值模拟分析。

由于构件受力在弹性范围内，采用板单元。钢材本构关系采用理想弹性模型，引入初始缺陷，以1/1 000为缺陷因子。梁柱节点处分别按铰接和刚接进行建模。按铰接建模时，梁与柱的连接通过ABAQUS连接器中的铰接连接来实现；按刚接建模时，梁与柱的连接，通过ABAQUS中的绑定约束实现。有限元加载时，按构件实际内力比例施加，并逐渐加至构件屈服或屈曲。梁柱节点铰接和刚接时加载至 构件出现屈服时的应力云图分别如图5、6所示。

图5 加固后铰接节点应力云图

图6 加固后刚接节点应力云图

由图5可知，对于梁柱节点为铰接的情况，当荷载施加至设计荷载时，梁柱节点域及梁端区域应力较小，分布较为均匀，最大应力出现在隅撑外侧主梁翼缘处，应力值为256 MPa；当荷载施加至1.2倍设计荷载时，节点域、主梁腹板的应力分布变化不大，梁翼缘处高应力区开始向跨中方向发展，隅撑外侧主梁翼缘出现屈服；当荷载施加至1.3倍的设计荷载时，节点域应力分布变化不大，隅撑下侧柱应力有所增加，梁翼缘处高应力区域进一步发展，隅撑与主梁连接处主梁腹板出现高应力区，且大部分区域开始进入屈服。

由图6可知，对于梁柱节点为刚接的情况，当荷载施加至设计荷载时，梁端翼缘应力较铰接时有所增大，节点域应力分布仍然较小且分布较为均匀，最大应力出现在隅撑外侧主梁翼缘处，应力值为250.4 MPa；当荷载施加至1.2倍的设计荷载时，梁翼缘处高应力区开始发展，隅撑外侧主梁翼缘出现屈服；当荷载施加至1.3倍的设计荷载时，梁柱连接处主梁腹板出现较高应力区域，翼缘隅撑下侧柱应力增加，隅撑与主梁连接处主梁腹板出现高应力区，且大部分区域开始进入屈服。

梁柱铰接节点和刚接节点的屈服过程基本相同，承载能力相差不大，最大应力出现在隅撑外侧主梁翼缘处，破坏模式均表现为梁先出现屈服，这符合“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计原则。

4 结论

通过上述研究得到如下结论：

(1)增设角隅撑后，框架结构的整体刚度和承载能力都得到提高，应力和位移均有所减小。梁柱铰接时框架节点区域中的应力减小了12.2%，位移减小了6.89%；梁柱刚接时框架节点区域中的应力减小了13.4%，位移减小了13%。

(2)增设角隅撑后，梁柱铰接节点和刚接节点的屈服过程基本相同，承载能力相差不大，最大应力出现在角隅撑外侧主梁翼缘处，破坏模式均表现为梁先出现屈服，符合“强柱弱梁、强节点弱构件”的设计原则。

该加固工程竣工已约有2年的时间，未发现异常现象，说明该结构加固设计是成功的。