工字形截面受弯钢梁负载下焊接加固试验研究

杨东升

国核工程有限公司 上海 200233

1 概述

在实际工程中，焊接补强的施工过程大多在原结构已承受使用阶段荷载的情况下进行，焊接区域附近钢材温度急剧升高导致局部钢材暂时失去强度，引发构件刚度不均匀；对于承受轴向压力的构件，其稳定性可能发生改变。国内外对负载下焊接加固钢构件的理论和试验研究较少，在某单层厂房的加固改造中，采用了负载下焊接加固钢梁的加固技术，通过加大原结构构件截面，设置斜向加劲肋及加腋加固节点域的方式有效降低了构件应力；

2 试验概况

2.1 试验装置

试验在土木工程安全与耐久实验室完成，试验加载装置如图1所示。图中DI-1-DI-7均为位移计编号，其中DI-1、DI-2是分别量测试件跨中截面上下翼缘端部的侧向位移；DI-3用来量测试件跨中的竖向挠度；DI-4用来量测试件1/4跨度处竖向位移；DI-5-DI-8是用来量测试件端部上下翼缘中点处的水平纵向位移，用以得到整个过程中试件端部的转角。试件两端采用加工的夹支支座约束梁端部的面外位移，夹支长度为支承左右各100mm。梁底部的支承一端限制水平位移，另一端使用辊轴释放其纵向水平约束。

图1 试验加载装置示意

2.2 加载和加固施焊方案

试验采用100T液压千斤顶和反力架对钢梁进行跨中单点加载。正式加载前进行预加载，确认数据采集装置工作正常，并最大程度的消除加载装置之间的缝隙，提高所得数据结果的准确性。对于未加固试件BI-UR和未负载加固试件BI-S1采用一次性单调加载至破坏[1]。而对于负载下焊接加固的试件BI-S2和试件BIS3，首先加载至预先拟定的初始荷载大小，然后保持该负载不变，同时按既定的施焊顺序对加固板和钢梁的连接焊缝进行施焊，待所有焊缝焊接完成并冷却后，继续加载直至构件发生最终的破坏为止。试验中试件BI-S2和试件BI-S3的初始负载分别为120kN和240kN。加固钢板和翼缘端部的连接采用全长的连续角焊缝连接，焊缝的焊脚尺寸取为4mm，符合规范规定。在施焊前，首先将加固钢板定位至翼缘外侧并全长相互压紧，然后采用点焊固定，点焊间距350mm，其最后的点焊分段如图2。加固板的固定压紧措施如图3所示，采用G型夹钳和角钢螺杆组件夹紧定位。

图2 钢梁焊接加固施焊顺序

图3 加固板固定

根据规范的规定，对上下焊接钢板加固的受弯钢梁，首先焊接受拉侧的加固板，再焊接受压侧的加固板。焊缝要从两端向跨中施焊，即按照从A1-A2B1-…-D2的顺序对钢梁加固焊缝分段完成加固连接焊缝的施焊。再根据《钢结构加固技术规范》(CECS77：96)规定，对A1-D2中各分段中连接焊缝的施焊规定按图5(b)中对A1段焊缝施焊顺序进行，将加固板两侧350mm焊缝按每段70mm分成10段，按从1-10的顺序进行各道焊缝的对称施焊，每道焊缝现场焊接时间约为10s，焊后停歇约10s。待A1段完成后进入下一板段加固连接焊缝的焊接。待所有焊缝施焊完成且构件冷却至常温状态后，继续加载直至试件最后出现变形增大而荷载急剧下降为止。

3 结语

（1）在对负载钢构件进行焊接加固的过程中，高温影响区域主要集中于焊缝附近10cm以内的局部，由于焊接残余应力的影响，焊接完成后应力分布将发生较大变化。（2）焊接残余应力将使轴压构件过早屈服，但不会降低其承载能力，焊接残余应力对受弯构件的承载力影响较小。（3）尽管加固构件不直接承受荷载，但其依靠可靠的焊缝连接，可明显提高加固构件的承载能力。（4）对于钢梁和钢支撑，在负载时焊接引起的位移和分别为1.06、0.42mm，均在可控范围内。钢梁受拉翼缘在焊接时暂时由于高温膨胀而受压，受轴压荷载的钢支撑在弱轴方向的侧移明显大于强轴方向的侧移，但在焊接完成时，侧移均大部分得以恢复，焊接加固过程中结构的安全性可得到保证。

（1）所有构件最终均发生空间弯扭破坏模式，长细比和偏心距越大，失稳时面外位移变化趋势越明显；初始几何缺陷模式和大小影响失稳破坏方向及焊接残余变形大小。（2）极限承载力的主要影响因素依次为偏心距、柱长度（长细比）、焊接热输入、初始负载（初始应力比）。（3）焊接残余变形的主要影响因素依次为焊接热输入、初始负载（初始应力比）、柱长度（长细比），而焊接残余变形在对称加固时对偏心距不敏感。