套管加固前后网架结构静力学有限元分析

汪 　 菊

(安徽国防科技职业学院 建筑工程系，安徽 六安 237011)



套管加固前后网架结构静力学有限元分析

汪 菊

(安徽国防科技职业学院 建筑工程系，安徽 六安 237011)

以某高校体育馆网架结构为工程背景，采用有限元分析软件ANSYS建立网架结构模型，分析了该网架结构在荷载作用下的静力特性，找出结构设计的薄弱环节，并对其受力薄弱点采用套管加固法对其加固，分析这种加固方法的应用范围并加以推广。

网架结构；套管加固法；有限元软件；静力特性

网架结构由于其良好的受力性能和经济性、实用性，在大跨度建筑结构中得到广泛应用。但是由于各种原因，导致网架结构杆件局部破坏或者整体破坏，不能满足建筑功能的要求。工程中常见的网格结构破坏形态有杆件弯曲、螺栓断裂、网架坍塌、上弦弯曲等等。因此，需要对网架结构进行加固。随着加固技术的发展，结合材料科学的进步，产生了一些较为新型的加固方法，如CFRP加固方法、维加固法、粘钢加固法、套管加固法、预应力加固法、改变网架支撑的方法[1-6]等，本文重点分析套管加固法[7]，针对网架结构的受力薄弱点对其进行套管加固，分析其静力学性能的变化。

1　套管加固方法

套管加固方法一般是在钢筋外面通过焊接，套于角钢或者槽钢，分担荷载，如图1所示。为了提高外管的抗弯性能，提供了一个强有力的约束，把外管做成格构式，即在杆件外面焊接角钢或者槽钢，确保两者一起受力。套管加固法是一种常用的加固方法。

图1套管加固法示意图

2　网架结构加固前后的静力特性分析

2.1工程有限元模型

以某高校体育馆工程为例，其主体部分采用框架结构，屋盖为钢网架结构，由简支的钢网格组成，接头设置在网格的交点处。屋盖覆盖面积为2 304 m2，x轴(东西向)、y轴(南北向)均为48m，由24×24个网格组成，每个网格为2m×2m，网架高1.5m。所有网格都采用标准构件拼装而成，节点形式采用螺栓节点。支座节点采用平板压力支座。屋面板为100mm厚波形EPS夹心板。该体育馆的屋盖钢网架结构的平面和立面布置如图3所示，钢网架结构的上、下弦杆和斜杆所采用的钢管参数如表1所示。

图2钢网架结构的上、下弦杆和斜杆所采用的型钢图

图3　平面和立面布置图

杆 件锈蚀前钢管/mm锈蚀后钢管/mm弹性模量/MPa上弦杆ϕ113×6ϕ112×5下弦杆ϕ63×4ϕ62×32.06×105斜杆ϕ89×5ϕ88×4钢屋面板10099

工程设计荷载：

1)恒载：网架自重、屋面静荷载及灯具设备总载荷为1.03kN/m2；

2)活荷载：按照建筑结构荷载规范取值为0.50kN/m2；

3)风荷载：不考虑风荷载；

4)雪荷载：雪荷载是作用于网架结构的重要荷载之一。根据建筑结构荷载规范以及参考该地区50年内最大雪荷载，经计算取雪荷载值为0.36kN/m2。

参考建筑结构荷载规范，将ANSYS中设置的组合工况列于表2。

表2　组合系数

工程网架结构材料选定。该网架结构部分杆件已经锈蚀，甚至脱落，杆件实例承载面积已经发生改变。因此网架结构的计算要考虑锈蚀后有效面积。表1为锈蚀前后杆件的截面面积，未锈蚀的杆件截面保持不变。

2.2网架结构静力分析

2.2.1 网架结构静力计算

根据已有资料，结构静力计算采取统一的有限元模型，其中4边简支，均布荷载，上弦杆施加均布力为3 kN/m2，下弦杆施加均布力为3 kN/m2。网架的主要设计参数如表3，有限元模型如图4所示。

表3　网架的主要设计参数

图4有限元模型

2.2.2 网架结构静力计算结果分析

表4　网架结构部分杆件现状内力

由表4知，部分杆件的应力比超过容许值，部分杆件强度不足。图 5为按可变荷载组合情况下网架结构的轴力图。从图中可以看出，在均布荷载作用下，网架结构中间部分最先屈服，然后从中间往四周扩散。上弦杆绝大部分属于压杆。因为承受均布荷载，网架结构中间杆件承载较大荷载，上弦压杆压应力过大，部分杆件处于屈服边缘。腹杆部分杆件受压，部分受拉；下弦杆杆件绝大部分是受拉杆。

图5网架结构轴力图

通过图6～8得知，网架结构静力分析的变形在 X、Y、Z方向均会出现，但主要变形是在Z方向上。

由图8可知，上弦杆件中间部位Z向位移过大，部分上弦杆件平面外刚度不足，整个网架结构的最大位移达到216mm，大于120mm(48 000/400mm)，主要表现在图中蓝色部分，不满足规范要求，需要采取加固措施。编号有130、131、132、167、168和169。根据《网架结构设计与施工规程》(JGJ7-91)对于螺栓球节点的网架结构，杆件的计算长度取为杆件的长度L。考虑到杆件的锈蚀导致部分杆件截面面积损失，故需要重新校核杆件的长细比，评估其现有的刚度。经计算得锈蚀后上述杆件长细比为57.03，未超过界限长细比[λ]，满足规范要求。

由于该网架部分弦杆锈蚀导致构件承载力下降，通过对该网架进行静力分析可以得出部分压杆的应力比均超过限值，节点最大位移超过规范允许值。

通过分析还获得上弦杆、腹杆、下弦杆的内力分布，从而在工程实际施工中应考虑。

2.3网架结构套管加固法加固实践

前文对网架结构进行了静力分析，部分杆件的应力超限，具体位置为网架结构的中间部位，编号主要有130、131、132、167、168和169等。杆件型号如表5。

图6网架结构X轴位移图

图7　网架结构Y轴位移图

图8　网架结构Z轴位移图

表5　加固前后钢管的参数

对结构在静力下重新进行计算，发现各杆件的轴力有所变化，由计算所得轴力如图9。

由图9和表6可以看出：套管加固后，由于自重的增加，上弦压杆的轴力增大。但套管加固后同时也增大了截面的面积，比较应力比可以看出，未加固前应力比超限的杆件在加固后都未超限。由图10比较UZ值可以发现，套管加固后，最大静力位移满足规范要求，UZ值由216mm降至110mm，降幅明显。

(a) 未加固前轴力

(b) 套管加固后轴力

杆件编号130131132167168169未加固前-0.80-0.80-0.78-0.88-0.93-0.96套管加固后-0.46-0.45-0.42-0.51-0.54-0.56

(a) 未加固前UZ图 (b) 套管加固后UZ图

图10套管加固后Z向位移对比图

3　总　结

综上所述，套管加固法具有以下特点：

1)外观方面:套管加固法需在加固杆件外面利用焊接，套于角钢或者槽钢，共同承担外荷载。

2)加固效果方面:从表8可以看出，套管加固法，提高强度很高，但是对于强度破坏的受拉杆件加固效果不明显。

3)施工方面:套管加固法一般是在需要加固的杆件外面利用焊接套于角钢或者槽钢。因此焊接过程中对在役钢管会造成影响，使部分焊接构件存在焊接残余应力与应变，降低了焊件的强度[8-9]。

套管加固在增大杆件承载力的同时，也提高了杆件的回转半径，适合于受压杆件的加固。但是，套管加固法也有其局限性[10]，由于套管和杆件多为焊缝连接，焊接可以使杆件弯曲，增大杆件的偏向，导致受压承载力降低。同时，套管增加杆件横向荷载，导致杆件挠度增大，也会对网架的外观产生一定影响。

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Static Finite Element Analysis of the Spatial Grid Structure Casing before and after Reinforcement

WANG Ju

(Architectural Engineering Department, Anhui National Defense Vocational College，Lu’an, Anhui 237011, China)

This paper bases on the gird structure of a college stadium. We use ANSYS -finite element software to build a gird-structure pattern, analyze the static characteristics of the gird structure under a loading condition, and find out its weakness of the structural design. Furthermore, we use the reinforced tubular sleeve method to firm its weakness, analyze the scope of application of the reinforced method and extending.

gird structure; finite element software; reinforced tubular sleeve method; scope of application

2015-12-29

安徽高校省级质量工程资助项目(2014tszy070)。

汪菊，女，安徽六安人，硕士，安徽国防科技职业学院建筑工程系教师、工程师，主要从事土木工程教学及研究。E-mail: 418952905@qq.com

时间：2016-8-17 11:31

http://www.cnki.net/kcms/detail/34.1150.N.20160817.1131.018.html

TU356

A

1007-4260(2016)03-0062-06

10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2016.03.018