二手钢结构连接节点受力性能分析

由于不能满足新的使用功能要求，钢结构厂房改扩建星现越来越多的趋势，当前国内外对既有钢

结构进行改造加固的技术Et益成熟，但是对于新旧钢结构连接节点的研究相对较少。本文以某电厂钢支架结构

加固设计为例，将新旧钢柱翼缘和腹板对接焊接，并设置闭合的环向加劲板增强新老结构的节点连接。为了验证

该加固技术的可行性，运用通用有限元分析软件ANSYS11．0对新旧钢结构连接节点进行数值模拟。结果表明：通

过对接焊接新旧钢柱，并在连接节点设置环向加劲板的加固方法能有效保证新旧钢结构连接节点的承载力，新旧

钢结构连接节点整体受力均匀，满足承载力设计要求。

【关键词】钢结构；连接；节点；数值模拟

【中图分类号】TU352；0383 【文献标识码】 B 【文章编号】 1001—6864(2012)08—0101—02

钢结构已广泛应用于工业和民用建筑，随着工业

生产技术的不断改进，服役期的工业厂房不能满足新

的使用功能要求，通常需要对钢结构进行改造加固。

目前钢结构的加固方法主要包括：减轻荷载、改变计

算图形、加大原有结构构件截面和连接强度、阻止裂

纹开展等…。苏庆田 等在宝钢二号高炉炉体框架

的加固设计中运用了多种加固方法，将工字型截面改

为箱型截面；工字型截面外包矩形钢箱；在荷载作用

点增设柱子等。刘礼华 等对组合钢柱进行了计算

分析并提出了加固方法。龚顺风 等运用有限元分

析软件ANSYS对加固后钢柱的非线性屈曲性能进行

了研究，得到了十分有价值的结论。

新旧钢结构连接节点是钢结构改扩建加固设计

中的一个重要环节，国内对于这种加固技术的理论研

究还比较欠缺。本文以某电厂脱硝钢支架结构的加

固设计为例，通过对接焊接新旧钢柱翼缘和腹板，并

在新旧钢结构连接节点外侧设置闭合的环向加劲板

进行加固，合理有序的施工显著增强了新旧钢结构连

接节点的承载性能。为了验证该加固技术的可行性，

并为钢结构改扩建的加固方案设计提供理论基础，本

文采用有限元法分析了加固后新旧钢结构连接节点

的受力性能，通过黏结模拟加劲板和梁柱之间的焊接。

1 加固方案

某电厂三层钢支架，高19．5 m，由于新增SCR反

应器等脱硝设备，需要在原有钢支架上部新立脱硝钢

支架结构。脱硝钢支架设计高度50．6 m，两个SCR反

应器重约1200t，并且支撑点位于高度38．0m处，服役

时间较长的原支架难以承受新增SCR反应器等设备

的自重和操作荷载，因此需要改扩建钢支架。由于业

主单位要求尽可能减少经济损失，选择原有设备不停

产，利用并伸长原有钢柱，同时新立钢柱的方案，其中

边柱新旧钢结构连接节点采用对接焊接钢柱翼缘和

腹板、设置环向加劲板的加固技术。

新旧钢结构连接节点如图1所示，根据柱截面尺

寸加工制造伸长边柱，施工时，首先在安装伸长边柱

的节点两侧布置千斤顶，千斤顶逐级加载至边柱最大

轴力的50％ ；然后吊装伸长边柱，校正后立即对焊拼

接伸长柱和原边柱的翼缘和腹板；等焊缝冷却之后，

焊接环向加劲板；在焊缝冷却之后，再对千斤顶逐级

卸载，对接完成。

产 ' 0

工

(a)正立面图

(b)左立面图

(c)l一1剖面图 (d)2

— 2静J面图

图1 新旧钢结构连接节点加固方案

2 有限元模型

采用有限元软件ANSYS11．0对上述新旧钢结构

102 低温建筑技术 2012年第8期(总第170期)

连接节点加固方案进行数值模拟，并选择构件连接相

对复杂、荷载较大的节点进行分析。所有钢材均为

Q345，弹性模量E =2．06 X 10’MPa，屈服强度 =345

MPa，泊松比l，=0．3，密度P=7850 kg／m3。通过钢结

构分析软件STAADPro计算出最不利组合工况荷载作

用下梁柱的内力，并将其转化为构件反弯点处的等效

荷载施加到模型。

选择ANSYS11．0提供的SOLIID5单元建立有限

元模型，SOLID95单元支持塑性、应力刚度、大变形，具

有较好的计算精度。伸长柱、原边柱、钢梁和加劲板

之间的焊接采用黏结模拟。为了减少边界效应对计

算结果的不利影响，构件长度适当取大。有限元模型

如图2所示，共5364个单元。各构件尺寸和等效荷载

见表1。

图2 新旧钢结构连接节点有限元模型

表1 构件截面尺寸及等效荷载

3 计算结果

从图3中可以看出，新旧钢结构连接节点整体von

— Mises应力在100 MPa左右，构件应力分布均匀，新

旧钢结构连接节点拼装和焊接区域未见较大应力。

最大应力位于新立钢柱和原有钢梁连接处，约为251

MPa，小于材料屈服强度。可见，通过对焊拼接伸长柱

和原边柱的翼缘和腹板，并在连接节点设置闭合的环

向加劲板的方法能够有效增强新老结构的连接，新旧

钢结构连接节点总体受力均匀，满足结构承载力设计

要求。

图3 新旧钢结构连接节点等效应力

4 结语

本文通过ANSYS11．0软件建立新旧钢结构连接

节点的数值模型，分析了节点在最不利荷载组合工况

下构件的应力分布。结果表明，新旧钢结构连接节点

的应力分布比较均匀，该加固方案能够满足结构使用

要求，合理的设置加劲板有效地改善了节点的连接

性能。

参考文献

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[收稿日期】2012—03一l3

[作者简介】程波(1982一)，男，浙江安吉人，本科，从事钢

结构设计工作。