某钢结构门式刚架厂房加固改造设计研究

郭隆乾 翁维素

(河北建筑工程学院,河北 张家口 075000)

0 引 言

一般情况下,门式钢架厂房常因雪荷载超重,使得彩钢板、檩条、钢梁、钢柱发生损伤或破坏.按目前的规范[1]要求,建筑空间可利用时,可采取调整结构内力分布的方法,通过增设柱,削弱待加固柱的内力,使得加固后的结构和构件达到新的平衡状态.对于单独的构件-钢柱,常采用粘贴钢板、外包混凝土等方法提高其受压承载力.

施澄宇[2]提出厂房加固设计的若干问题,结合工程实例从整体、构件设计及施工方面对厂房进行加固设计.阳旭等[3]提出一种外包混凝土的组合加固节点,并用有限元软件计算了节点的可行性.杜宜军[4]、杨随新等[5]使用PKPM对实际工程进行了改造后的整体抗震验算、构件的强度复核.刘斐然等[6]通过CFRP布加固H型钢柱,推导了偏压H型钢柱经碳纤维增强复合材料加固后极限承载力计算公式.殷占忠等[7]对加固后的型钢部分外包混凝土柱进行单向轴压试验,研究表明,组合柱承载力和刚度均较高.钟千[8]对H型钢进行翼缘贴钢加固,研究表明,粘钢加固法可大幅提高轴压承载力.

本文结合某钢结构门式刚架改造工程,抽取其中一根承受轴压力的H型钢柱进行分析.使用ABAQUS建立该H型钢柱未加固、采用粘贴钢板加固法和贴焊预制钢管混凝土柱的三个模型,进行静力加载,观察三者的破坏类型,得出荷载-位移曲线、荷载-挠度曲线,并计算、对比三者的受压承载力和位移延性系数.为贴焊预制钢管混凝土柱加固H型钢柱的推广提供参考.

1 工程概况

该门式刚架钢结构厂房因雪荷载超重,使屋面发生局部垮塌,相关檩条、梁、柱皆受到一定程度损伤.其中一H型钢柱截面尺寸为350mm×250mm×6mm×8mm,长10m,材料为Q345B,两端铰接.该钢柱因受屋面垮塌影响及使用功能重新调整,使得荷载增大.据规范[1,9,10],改造时对该柱采用外贴10mm厚钢板的加固方法,使用PKPM验算满足内力、变形等要求.在贴焊预制钢管混凝土柱的加固法中,四根预制钢管混凝土柱与H型钢沿纵向通过结构胶与焊缝连接.本文研究的三种钢柱截面如图1所示.

图1 钢柱截面

2 有限元模型

2.1 模型建立

三个模型均采用1:1建模,H型钢、外贴钢板、方钢管采用壳单元(S4R),混凝土采用实体单元(C3D8R).模型参数见表1.本次分析采用显示动力学模块,准静态分析三个模型在位移控制条件下的受力过程.钢管与核心混凝土的接触设置为硬接触,摩擦系数取为0.6[11];钢柱与外贴钢板、钢柱与钢管混凝土柱均设为绑定连接.柱下端均设为铰接以限制三向线位移,柱上端限制x、y向线位移和绕z轴的转动.对柱顶板形心位置施加30mm的压缩(-z向)变形.三个模型的网格划分,兼顾计算持时与精度,经过试算确定.有限元模型见图2.

表1 模型参数

图2 有限元模型

2.2 材料本构关系

H型钢柱、外贴钢板采用理想弹塑性模型,本构关系见图3;钢管混凝土柱中,方钢管钢材采用二次强化模型[12],如图4所示;核心混凝土本构关系采用规范[13]中的CDP模型.所有钢材弹性模量取2.1×106N/mm2;混凝土强度等级为C30,弹性模量取30000N/mm2.钢材泊松比取0.3,混凝土泊松比取0.2,钢材屈服点fy取345N/mm2.

图3 H型钢柱及钢板本构关系 图4 钢管本构关系

3 有限元分析

3.1 破坏形态

HZ1-HZ3破坏时的应力云图见图5.分析图5可知:HZ1与HZ2破坏类型相似,两个钢柱因柔度较大,临近破坏时在下部支座不远处发生局部屈曲,后导致整个柱子发生失稳破坏;HZ2的屈曲破坏区域较HZ1的上移.HZ3因4根钢管混凝土加强刚度,使得受力过程中,保持弯曲形态,未发生局部屈曲现象,破坏时发生整体失稳破坏.

图5 破坏形态

3.2 荷载-位移曲线

ABAQUS计算得到荷载-位移曲线如图6所示.HZ1极限受压承载力为2348.3kN,HZ2极限承载力为2692.6kN,HZ3极限承载力为3237.3kN.HZ2较HZ1极限受压承载力提高14.7%;HZ3较HZ1极限受压承载力提高37.9%;HZ3较HZ2承载力提高20.2%.经计算,HZ3初始压缩刚度为336.7kN/mm,HZ2初始刚度为175.6kN/mm,HZ2初始刚度为153.4kN/mm;HZ3较HZ1初始刚度增加119.5%,HZ2较HZ1初始刚度增加14.5%.HZ2与HZ1荷载-位移曲线形状、走向相似,两者极限承载力对应的位移也接近,表明HZ1与HZ2受压过程中的力学状态相似;HZ3采用钢管混凝土柱补强,使得整体截面的组合刚度大大提高,同时,HZ3达到极限承载力的位移积累量明显低于HZ1与HZ2.

图6 荷载-位移曲线

3.3 荷载-挠度曲线

HZ1-HZ3的荷载-位移曲线如图7所示.分析图7可知:HZ1和HZ2在达到极限荷载之前,水平挠度很小,在发生局部屈曲后,挠度开始变大,HZ2承载力和挠度都稍高于HZ1.HZ3在荷载加至接近1600kN时,侧向挠度增长缓慢,荷载超过1600kN后,HZ3的侧向挠曲增速变快,荷载加至3000kN后,挠度增速变缓.在荷载-挠度曲线中,HZ3的荷载提高伴随较大位移的积累,HZ3的曲线平滑且没有骤变现象,可以认为HZ3的延性优于HZ1和HZ2.

图7 荷载-挠度曲线

3.4 位移延性系数

结合荷载-位移曲线,依据能量等值法[14]计算HZ1-HZ3的位移延性系数μΔ,计算公式见式(1),等值能量法示意图见图8.延性系数计算结果见表2.

图8 等值能量法

表2 位移延性系数

由表2可知,HZ2较HZ1延性系数提高12.7%,HZ3较HZ1延性系数提高14.7%,HZ3的位移延性系数比HZ2的稍高.钢管混凝土柱自身延性好的性能,使得HZ3这种组合截面钢柱的延性得到加强.

(1)

式中:Du表示曲线上极限点对应的位移;Dy表示使用能量等值法确定的初始屈服点对应的位移.

4 结 论

本文对某门式刚架中10m长H型钢柱进行未加固、采用粘贴钢板加固、贴焊钢管混凝土柱三种方法加固的对比分析.使用ABAQUS计算HZ1-HZ3的极限受压承载力和延性系数.得到的结论如下:

(1)提出一种对H型钢柱内部贴焊预制钢管混凝土柱的新型加固方法.经ABAQUS模拟计算,HZ1与HZ2破坏时发生局部屈曲,导致钢柱失稳;HZ3破坏前未发生局部屈曲,保持整体弯曲形态,破坏时发生整体失稳破坏.

(2)对比HZ3与HZ1的计算结果,贴焊预制钢管混凝土柱加固法较原柱提高37.9%的受压承载力,延性系数提高14.7%,初始刚度提高119.5%.