锈蚀钢牛腿节点加固受力性能的有限元分析

方郓龙，郁有升

(青岛理工大学 土木工程学院，青岛 266525)

由于钢结构具有轻质高强、延性及韧性好、耗能能力强、工业装配化程度高、造型美观等优点[1]，已被广泛应用于工业和民用建筑。由于设计不合理、施工不当、使用环境恶劣、结构使用功能改变等各种因素，使结构的承载能力受到影响，需要对其进行加固[2]。目前国内外常用的加固方式有贴焊或粘贴钢板、外包角钢、碳纤维布加固等[3-4]。KIM等[5]对盖板加固钢框架节点和翼缘板加固的钢框架节点分别进行试验研究和有限元分析，研究结果表明采用盖板加固和翼缘板加固均能有效地提高梁柱节点的承载力；盖板加固在防止节点发生脆性破坏方面效果更显著，矩形板加固效果比梯形板好。LIU等[6-7]通过试验研究和有限元分析，对不同参数下(包括预应力大小、钢梁跨度、初始缺陷等)的W形钢梁进行了研究，结果表明，水平预应力越大，钢梁屈曲荷载越小；增大钢梁的跨度、减小初始缺陷都有利于提高梁的承载能力。蒋立等[8-9]设计了72个未加固和加固的钢柱进行模拟分析，得到了影响加固构件承载力和焊接残余变形的主要因素，为焊接加固压弯构件设计计算方法提供了参考和依据。施澄宇[10]对钢结构厂房进行了加固改造设计，采用了增大截面法加固了吊车梁和钢牛腿。王士奇[11]通过对钢结构厂房进行优化加固设计，在保证承载力和刚度满足要求的前提下，大大减少了用钢量。

钢牛腿作为厂房中常见的承重构件，承受着上部吊车梁体系传来的荷载，是工业厂房的重要受力构件。钢牛腿及节点域处锈蚀会导致其承载力下降，给厂房的安全生产带来隐患。因此，研究锈蚀对钢牛腿的影响以及锈蚀后的加固是非常有必要的。基于此，本文针对钢牛腿节点处严重锈蚀导致承载力不足的问题，分别提出了4种不同的钢牛腿和节点域加固方案。为研究不同加固方案及参数影响下钢牛腿节点的加固效果，文中通过有限元软件ABAQUS来分别对锈蚀前后以及不同加固方案及参数下的钢牛腿节点进行有限元模拟，通过比较分析，选出合理的加固方案和参数取值范围。

1 工程概况

1.1 工程介绍

某单层重钢工业厂房建筑高19 m，跨度24 m，钢牛腿顶标高14.050 m，悬挑600 mm，厂房设有3台50/10 t的A5中级工作软钩吊车，最大轮压产生的竖向荷载Dmax=1323.8 kN，最小轮压产生的竖向荷载Dmin=615.1 kN，吊车横向水平荷载Tmax=73.4 kN。抗震设防烈度为8度，加速度为0.2g，地震分组为第1组，场地类别为II类，50年一遇的基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙类别为C类，基本雪压为0.4 kN/m2。厂房内设有高温炉，局部高温、高湿，属于强腐蚀环境。

本文选取工程中锈蚀严重的钢牛腿节点进行分析，钢柱截面规格为H700 mm×400 mm×20 mm×24 mm，原钢牛腿为变高度工字形截面，钢牛腿截面规格为H(600～350)mm×400 mm×20 mm×20 mm，在吊车梁位置处设有加劲肋。钢牛腿示意见图1，钢牛腿在使用过程中翼缘和腹板处出现了严重锈蚀，现场钢牛腿节点见图2。

图1 钢牛腿示意

图2 现场牛腿节点

1.2 加固方案

1.2.1 钢牛腿加固

针对锈蚀后的钢牛腿，提出了在钢牛腿上翼缘、腹板、上翼缘和腹板及两侧贴焊钢板的加固方式，钢牛腿的加固示意见图3。上翼缘加固钢板与原钢板之间采用三面围焊连接，腹板处加固钢板四面均为对接焊缝，钢牛腿两侧钢板上下采用角焊缝连接，左右采用对接焊缝连接，焊角高度为8 mm，原有角焊缝补强为对接焊缝。

图3 牛腿加固方案示意

1.2.2 节点域加强

节点域加强采用在翼缘及腹板相交处对称焊接4个角钢和钢板的加固方案，根据文献[3]设计了4种节点域加强方案，其中角钢的尺寸为∟100×8，所有角钢和钢柱之间的焊接方式均采用连续双面角焊缝，焊脚高度为8 mm。节点域加强示意见图4，分别是在节点域加焊角钢、斜肋、角钢和斜肋，加固方式4和方式3的斜肋反向。

图4 节点域加强方案示意

2 有限元模型的建立

2.1 模型的几何参数

原钢结构牛腿柱的截面为H700 mm×400 mm×20 mm×24 mm，由于主要分析钢牛腿节点的受力性能，对钢柱可做简化处理，本模型钢柱长度取为3 m。钢牛腿截面规格为H(600～350)mm×400 mm×20 mm×20 mm，钢材均选用Q355B。

原钢牛腿和加固钢材的应力-应变关系采用三折线模型，焊缝的应力-应变关系采用二折线模型，材料的各项性能指标见表1[12]。

2.2 有限元建模

采用有限元分析软件ABAQUS分别对锈蚀前、锈蚀后及加固后的钢牛腿节点进行建模分析。为提高模型的计算效率，钢牛腿和钢柱、钢柱和角钢、焊缝和加固钢板、焊缝和钢牛腿之间的接触采用“TIE”连接来模拟，考虑到补强件和被加固件之间能够可靠地共同工作，所有的接触均采用面面接触。钢牛腿、钢柱、加固所用的角钢、钢板以及焊缝均采用三维实体单元C3D8I。钢柱顶部和底部的边界条件均设置为铰接，分别在钢牛腿上翼缘、柱顶以及柱底端几何中心点上建立耦合约束，方便施加约束。

对钢牛腿节点进行有限元分析所采用的加载方式是荷载-位移控制加载，首先在柱顶施加100 kN的轴向力，然后在钢牛腿上翼缘处施加竖向位移进行单调加载分析，单调加载的位移取为150 mm，加载方向向下。

3 有限元分析结果

3.1 锈蚀前后钢牛腿节点受力分析

对锈蚀前及不同锈蚀程度的钢牛腿进行单调加载分析，可得到如图5所示的锈蚀前和锈蚀后钢牛腿的整体破坏形态和图6所示的荷载位移曲线。当钢牛腿节点未发生锈蚀时，荷载随着钢牛腿加载点处竖向位移的增大而急剧增大，当钢牛腿加载点处竖向位移达到6 mm左右时，钢牛腿开始出现屈服，随着加载点处竖向位移继续增大，钢牛腿的塑性变形区域不断增加，当钢牛腿处竖向位移达到100 mm左右时，钢牛腿逐渐达到了极限承载状态，荷载将不再增加。当钢牛腿单侧翼缘锈蚀深度超过4 mm时，钢牛腿在荷载作用下，将出现明显的侧向扭曲失稳现象；当钢牛腿处竖向位移达到70 mm时，钢牛腿达到了极限状态，之后承载力逐渐下降。通过有限元分析可以看出钢牛腿腹板和翼缘单侧锈蚀深度大于4 mm后，钢牛腿极限承载力下降的速率更快。

图5 锈蚀前后钢牛腿的整体破坏形态

图6 锈蚀前后钢牛腿的荷载-位移曲线

3.2 牛腿加固方式对钢牛腿承载性能的影响

针对锈蚀后的钢牛腿，为研究不同加固方式对钢牛腿承载能力的影响，设计了JGT组试件，JGT组试件的基本信息和计算结果见表2。图7为JGT组试件牛腿部分的破坏形态，图8为JGT组试件荷载-位移曲线。JGT-1试件主要锈蚀部位在钢牛腿翼缘，由表2和图8可知，加固后钢牛腿稳定性得到增强，钢牛腿的承载能力得到了显著的提升，其极限荷载较加固前提升了12.57%；JGT-2试件主要锈蚀部位在钢牛腿腹板，加固后钢牛腿的屈服强度和极限强度都得到了显著的提高，其极限荷载较加固前提升了47.20%。翼缘和腹板均发生严重锈蚀的钢牛腿，分别采用加固方式3、方式4进行加固，其极限荷载较加固前分别提升了57.98%，61.98%。加固后的钢牛腿在荷载作用下，节点域处出现明显的塑性变形，高应力主要集中在节点域处，随着节点处应力不断增大，导致钢牛腿无法继续承受荷载，故加强节点域能够进一步提升钢牛腿的承载能力。

表2 JGT组试件的基本信息和计算结果

图7 JGT组牛腿破坏形态

综合有限元分析结果，对于不同的锈蚀部位，采用4种加固方式均能有效提升钢牛腿承载能力。若仅翼缘处锈蚀，加固方式1可有效增强翼缘锈蚀部分所丧失的承载力。若仅腹板锈蚀，可采用方式2对钢牛腿进行加固。对于翼缘和腹板同时锈蚀较为严重的情况，加固方式3和方式4均能提高钢牛腿承载力。考虑到施工的方便性和安全性，本工程确定方式4为最终的加固方案，加固效果见图9。

图9 钢牛腿加固效果

3.3 节点域加强方式对钢牛腿承载性能的影响

为研究节点域加强方式对钢牛腿承载性能的影响，以JGT-4试件为基本构件，设计JGY组试件，JGY组试件的计算结果见表3，图10为JGY组钢牛腿节点的破坏形态，图11为JGY组荷载-位移曲线。

表3 JGY组试件信息及计算结果

图10 JGY组钢牛腿节点破坏形态

从图10可以看出，JGY组试件由于节点域处的加强，节点域处塑性变形明显减小，高应力区域向钢牛腿处转移，使钢牛腿的强度得到充分利用。由表3和图11可知，在4种节点域加强方式下，钢牛腿的极限荷载均有不同程度的提高，比较几种加强方式，可以看出自左下到右上走向(JGY-4)的斜肋加强节点效果显著。最终选择采用加强方式3的试件(JGY-4)为节点域加强方案。

4 影响参数分析

钢牛腿节点加固参数包括钢牛腿两侧加固钢板厚度、斜向加劲肋厚度和角钢厚度。为研究加固钢板厚度t1和斜向加劲肋厚度t2对加固后钢牛腿承载性能的影响，设计了2组试件来确定合适的参数取值范围。

4.1 钢牛腿两侧加固钢板厚度的影响

为研究钢牛腿两侧加固钢板厚度对钢牛腿承载性能的影响，以JGY-4试件为基本构件，通过调整钢牛腿两侧加固钢板厚度，设计了JGW组试件，JGW组试件的尺寸和计算结果如表4所示，图12是钢牛腿极限荷载随加固钢板厚度变化的曲线。从图中可以看出钢牛腿的极限荷载随着加固钢板厚度的增加而提高；当加固钢板厚度不大于8 mm时，钢牛腿的极限荷载增加明显，当钢板厚度大于8 mm时，其极限荷载虽仍有所增加，但增加幅度明显放缓。

综上，考虑到经济性和安全性，建议钢牛腿两侧加固钢板厚度取值不小于钢牛腿单侧锈蚀深度的2.0倍，且为保证钢板不发生局部失稳，不得小于牛腿端部截面高度/80。

表4 JGW组试件尺寸及计算结果

图12 钢牛腿极限承载力随加固钢板厚度变化的曲线

4.2 斜向加劲肋厚度的影响

为研究斜向加劲肋厚度对钢牛腿承载性能的影响，在JGY-4试件的基础上，通过调整斜向加劲肋厚度，设计了JGL组试件，JGL组试件的尺寸和计算结果如表5所示，图13是钢牛腿极限荷载随斜向加劲肋厚度变化的曲线。从图中可以看出钢牛腿的极限荷载随着斜向加劲肋厚度的增加而提高，当斜向加劲肋厚度大于12 mm之后，钢牛腿极限承载力变化曲线趋于平缓，斜向加劲肋厚度增大后的部分对钢牛腿的承载力贡献不大。

表5 JGL组试件尺寸及计算结果

图13 钢牛腿极限承载力随斜向加劲肋厚度变化的曲线

综上，建议斜向加劲肋厚度取值范围为节点域处单侧锈蚀深度的2.5～3.5倍。

5 结论

1) 通过对锈蚀前和不同锈蚀程度的钢牛腿进行分析可以看出，相对于翼缘锈蚀，腹板锈蚀对钢牛腿承载力的影响更为明显，这是由于钢牛腿悬臂段长度较短，在牛腿根部截面产生的弯矩相对较小，其破坏形式主要以剪切破坏为主。随着腹板处锈蚀深度的增加，钢牛腿承载能力显著降低。

2) 通过方案比较，选用了牛腿外边缘两侧贴焊钢板加固钢牛腿和角钢、斜肋组合加强节点域的加固方案，该加固方案能使钢牛腿的承载力得到显著提升，为今后相关工程的加固提供参考。

3) 根据有限元分析结果，当采用在牛腿外边缘两侧贴焊钢板的方式加固钢牛腿时，建议钢牛腿两侧加固钢板厚度取值不小于钢牛腿单侧锈蚀深度的2.0倍，且为保证加固钢板不发生局部失稳，加固钢板厚度不得小于牛腿端部截面高度/80；当采用角钢、斜向加劲肋组合加强钢牛腿节点域时，建议斜向加劲肋厚度取值范围为节点域处单侧锈蚀深度的2.5～3.5倍。