負載下焊接加固通信鐵塔軸力構(gòu)件非線性屈曲性能研究①

苑士巖，沈之容

(同濟大學建筑工程系，上海200092)

0 引 言

由于通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信角鋼鐵塔已被廣泛應(yīng)用，而隨著使用期的增長或天線設(shè)備的增加，必然會使既有結(jié)構(gòu)不能滿足新的使用要求，這時通常需要對結(jié)構(gòu)進行加固改造.根據(jù)加固時的施工方法不同主要有:負荷加固、卸荷加固以及從原結(jié)構(gòu)上拆下加固或更新部件進行加固［1］.其中負載下焊接加固方法在鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中應(yīng)用的最為普遍［4］，因為這種加固方法基本不影響正常的生產(chǎn)生活，有較好的經(jīng)濟效益，而且施工過程也比較方便.

本文通過加固角鋼構(gòu)件與被加固角鋼構(gòu)件緊貼焊接，從而達到對負載下角鋼構(gòu)件加固的目的.利用ANSYS 有限元分析軟件間接熱－結(jié)構(gòu)耦合分析來模擬負載下焊接加固過程，并采用移動高斯熱源模型來反應(yīng)真實焊接過程.重點考察初始負載大小對焊接加固后截面應(yīng)力分布以及鋼構(gòu)件非線性極限荷載的影響，并對不同長細比鋼構(gòu)件加固效果進行比較，為角鋼構(gòu)件的加固方法提供參考依據(jù).

1 計算模型

本文為研究負載下焊接加固通信鐵塔軸力角鋼構(gòu)件的受力性能，選用的被加固角鋼截面為L80×6，加固角鋼截面為L62×6(對肢尖做削平處理后)，通過兩條角焊縫將二者焊接在一起，具體形式如圖1 所示.被加固及加固角鋼均采用Q235 鋼材，采用角焊縫的焊腳尺寸為4mm.

圖1 加固方式

桿件加固后的截面形式不變，見圖1，長度分別為1.0m，1.2m 以及1.5m;初始負載分別為0.2fy，0.3fy，0.4fy，0.5fy，0.6fy.

2 有限元模型

2.1 焊接過程有限元分析

由于影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素有焊接溫度場和金屬顯微組織，而焊接應(yīng)力對它們的影響很小，所以僅考慮單向耦合問題，即焊接溫度場和金屬顯微組織對焊接應(yīng)力應(yīng)變場的影響，而不考慮應(yīng)力場對它們的影響.

焊接熱源采用移動高斯熱源模型，其中高斯熱源模型是指輸入熱流密度沿加熱中心的半徑方向為高斯函數(shù)分布，如圖2 所示.實踐證明，采用熱流密度為高斯分布的表面熱源，可以獲得滿意的溫度場結(jié)果，進而得到較好的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果［6～8］.本文采用函數(shù)加載功能來模擬熱源的移動，此方法的優(yōu)點在于，不必在每次加載熱流密度時都必須知道被加載單元，而只要知道焊縫的起始位置就可以，ANSYS 軟件可以根據(jù)所加的函數(shù)自動計算出下一個被加載單元.

圖2 高斯熱源分布

2.2 材料熱物理性能

各溫度下鋼材的材料特性和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖3 所示［9］.常溫下(20℃)Q235 鋼材的彈性模量為E=2.06×105MPa，屈服強度fy=235MPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，對流系數(shù)取25W/(m2·K).其他熱物理參數(shù)［9］見表1.

圖3 Q235 各溫度下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

表1 材料性能參數(shù)

1000 1.34 670 30 7490 1500 1.33 660 35 7350 1700 1.32 780 140 7300 2500 1.31 820 142 7090

2.3 建立有限元模型

模擬分析采用ANSYS 中的熱－結(jié)構(gòu)單元:SOLID70 和SOLID185 單元，SOLID70 為熱實體單元，建立構(gòu)件的熱模型，用于模擬焊接過程隨時間變化的溫度場，在熱分析中采用拉伸單元方法，所以還要使用平面熱單元PLANE55.

ANSYS 建立的有限元模型如圖4(a)所示，本文采用MPC 多點剛性約束的方法來模擬桿件端部鉸接節(jié)點，此方法可較真實地模擬兩端鉸接的約束狀態(tài)，如圖4(b)所示.

考慮最大初彎曲為L/1500［5］，按特征值屈曲分析得到的第一階屈曲模態(tài)各節(jié)點的位移特征值向量將初始幾何缺陷施加到角鋼構(gòu)件上，并施加1.2 倍特征屈曲荷載以“激發(fā)”非線性屈曲分析［5］.

3 計算結(jié)果

3.1 焊接加固后角鋼應(yīng)力分布

通過ANSYS 數(shù)值模擬分析負載下焊接加固角鋼構(gòu)件過程，獲得1m 長度桿件一半高度處加固角鋼以及被加固角鋼截面的應(yīng)力分布.選取角鋼拐點位置為零，將角鋼展開為平面，零點左側(cè)為負，右側(cè)為正，將角鋼上各點處的應(yīng)力值繪于圖5 中.

從圖中可以看出:

(1)加固角鋼肢尖截面的應(yīng)力基本上達到了受拉屈服;而角鋼肢尖截面外的其余部位除了0.6fy的情況外均表現(xiàn)為較大的壓應(yīng)力.

(2)加固角鋼在初始應(yīng)力小于0.4fy情況下，隨著初始應(yīng)力的增大，加固角鋼的壓應(yīng)力的極值以及分布面積逐漸增大;當初始應(yīng)力達到0.5fy和0.6fy時，由于構(gòu)件嚴重彎曲以及焊接殘余應(yīng)力影響，致使加固角鋼肢背截面處出現(xiàn)壓應(yīng)力減小甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力的現(xiàn)象.

(3)被加固角鋼初始應(yīng)力小于0.4fy情況下，隨著初始壓應(yīng)力的增加，被加固角鋼的壓應(yīng)力分布面積越來越大，而且最大值也逐漸增大;初始應(yīng)力達到0.5fy以后，壓應(yīng)力最大值達到屈服強度而不再增大，但是壓應(yīng)力分布區(qū)域卻仍然在增大.

3.2 不同初始應(yīng)力下構(gòu)件受力性能

對長度為1m 的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，分別取0.2fy，0.3fy，0.4fy，0.5fy，0.6fy作為初始負載，進行非線性屈曲分析，獲得構(gòu)件上的荷載與構(gòu)件中部x 方向水平位移之間的關(guān)系曲線，如圖7 所示;構(gòu)件變形圖繪于圖6 中.

圖5 角鋼焊接加固后應(yīng)力分布

圖6 構(gòu)件的極限變形ux(m)

圖7 不同負載下荷載－位移曲線對比圖

從圖中可以看出:

(1)隨著初始負載的增大，桿件的極限荷載逐漸減小;在初始應(yīng)力小于0.4fy的情況下，極限荷載下降的不是很明顯，而初始應(yīng)力超過0.4fy時，極限荷載下降較為明顯.

(2)初始應(yīng)力為0.2fy時，其極限荷載為178.84kN，當初始應(yīng)力為0.6fy時，其極限荷載為164.86kN，極限荷載減小了7.82%.

(3)初始負載為0.5fy和0.6fy時，荷載－位移曲線出現(xiàn)了較為明顯的水平段，這主要是因為角鋼構(gòu)件在焊接加固過程中，初始負載不變，但由于熱輸入的影響，構(gòu)件的變形繼續(xù)發(fā)展;而且其表現(xiàn)出的規(guī)律為:隨著初始負載的逐漸增大，水平段的長度也隨之增大.

3.3 不同長細比下構(gòu)件受力性能

分別取1.0m，1.2m 及1.5m 長度的桿件，在0.2fy，0.3fy，0.4fy，0.5fy，0.6fy的初始負載作用下，經(jīng)過焊接加固后冷卻至室溫，然后繼續(xù)加載直至最終破壞，從而獲得了各種不同情況下的構(gòu)件極限承載力及此時一半高度處節(jié)點最大水平向位移，并計算桿件極限承載力下降幅度，具體詳見表2 至表4.

表2 桿件長度為1m 的計算結(jié)果

表3 桿件長度為1.2m 的計算結(jié)果

表4 桿件長度為1.5m 的計算結(jié)果

從表2 至表4 可以看出:

(1)隨著長細比的增大，在初始負載相同的情況下，桿件的極限承載力逐漸減小，這主要是由于隨著桿件長度的增大，初始幾何彎曲也會越來越大，而且焊接加固后中熱輸入的影響較為明顯，從而導致其承載力的降低.

(2)桿件的長度不同，隨著初始負載的增加，極限承載力的下降幅度也不同;通過的對比可知，除初始負載為0.5fy、長度為1.5m 的桿件外，極限承載力下降幅度最大的是長度為1.2m 的桿件，所以焊接加固效果與桿件長細比有關(guān)，而且兩者不是正相關(guān)，焊接加固的桿件存在最優(yōu)長細比.

4 結(jié) 論

(1)采用MPC 多點剛性約束的方法來模擬桿件端部鉸接節(jié)點可以得到較好結(jié)果，此方法可用于非線性分析中，而且不會使桿件端部產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象.

(2)采用移動高斯熱源模擬焊接加固過程，可以獲得滿意的溫度場結(jié)果，進而得到較好的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果.

(3)初始負載下焊接加固至最終冷卻，加固角鋼與被加固角鋼之間發(fā)生了較明顯的應(yīng)力重分布，而且隨著初始負載的增大，加固角鋼所分擔的壓應(yīng)力逐漸增大;在初始負載過大的情況下，焊接加固過程中，雖然桿件在初始負載不變，但彎曲變形仍在增大，使得加固角鋼肢背處壓應(yīng)力減小，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力的現(xiàn)象.

(4)在桿件長度不變時，隨著初始負載的增大，桿件的極限承載力逐漸減小;在初始負載相同的情況下，隨著桿件長細比的增大，其極限承載力也會逐漸減小.

(5)負載下焊接加固效果與桿件長細比并不是正相關(guān)，所以對于加固完成后的某種截面形式，存在最優(yōu)長細比.

［1］ 中國工程建設(shè)標準化協(xié)會.CECS77:96 鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2005.

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