焊接加固钢柱轴压静力试验研究

焊接加固钢柱轴压静力试验研究

0负载下焊接加固钢柱的有限元分析及试验研究自20世纪80年代以来，钢结构已主要用于工业建筑，并已进入公共汽车和公共建筑的发展趋势。随着既有钢结构服役期的延长,结构本身的老化和新的使用要求,已使结构经鉴定评估后不能满足使用需求或安全要求,因而需对结构进行加固改造。结构加固需综合考虑经济效益,施工便捷程度等因素,所以对既有结构的加固通常是在负载状态下完成。加固工程实例表明,负载下焊接加固钢构件,具有耐久性好、经济效益好、施工便捷等优点而被广泛应用于钢结构加固施工中。虽然负载焊接加固方法的应用较为普遍,国内也有相应的规范作为指导,但是针对钢柱负载下焊接加固的试验研究极少,缺乏规范指导设计。在国外,对钢柱负载下焊接加固的研究,仅有美国的NagarajaRao等完成的一批钢柱负载加固的试验研究,对未加固钢柱,未负载下和负载下加固后的钢柱轴压试验进行对比,主要分析了截面的应力分布以及破坏时应力大小,仅得到了一组铰接长柱的荷载-位移曲线,结果表明:负载下焊接加固后钢柱的承载能力比未负载加固的高。但由于该组铰接长柱长细比为48,负载下加固时的初始应力比为0.27,长细比和初始应力比都较小,所以该结论还需进一步研究,以判断其准确性。在有限元模拟分析方面,Wu等和龚顺风等对焊接加固后钢柱的受力性能进行了多参数研究,结果表明,除了材料特性和截面几何特性是主要的影响因素外,构件的初始几何缺陷以及加固板位置和屈曲轴线的组合作用亦是影响加固后钢柱承载能力的主要因素。本文作者对4个Q345B焊接工字形钢柱进行负载下焊接加固的轴压试验,其中3个钢柱在不同初始负载条件下进行加固,1个未加固钢柱作为对比试验。试验中测量加固焊接过程中钢柱腹板的应变变化过程,并将试验结果同规范计算结果进行对比分析,为负载下焊接加固钢柱相应设计方法的提出提供试验依据和建议。1试验总结1.1试验结果与分析试验的目的是研究初始负载对焊接加固后钢柱的极限承载能力的影响。试验研究对象为两端铰接Q345B轴心受压未加固钢柱和焊接加固钢柱。选取焊接工字形截面,被加固钢柱截面按GB50017—2003《钢结构设计规范》中规定的腹板和翼缘的宽厚比限值进行设计,同时考虑焊接加固前后钢柱绕弱轴计算的长细比在常用范围内,同时保证其不发生局部失稳。试验中设计了4个Q345B焊接工字形截面钢柱试件,其中试件CI-UR为未加固的工字形截面钢柱,试件CI-S1~CI-S3为加固工字形截面钢柱。钢柱长度为3000mm,腹板截面尺寸为240mm×10.0mm,翼缘板截面尺寸为180mm×8.0mm,加固板截面尺寸为150mm×6.0mm,全长加固,加固板长2970mm。如图1所示,试件CI-UR为未加固钢柱,试件CI-S1~CI-S3为焊接加固的钢柱,分3个负载等级进行加固,各焊接加固钢柱试件的负载情况见表1。根据GB/T228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》中的相关规定确定板材试样的截取尺寸,每种厚度的板材取3个材性试样,并通过静力拉伸试验得到其常温下力学性能。表2给出了板材主要力学性能指标的试验结果。板材下料采用工程中常用的焰切法。加固板和翼缘的连接采用角焊缝连接,为了减少焊接热输入对负载下加固试件受力性能的影响,角焊缝焊脚尺寸均为4mm。1.2钢柱受力及预加载试验在清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室完成。采用具有电液伺服功能的YES-500液压式压力试验机。在试验机上下两端装有单刀铰,实现钢柱两端绕弱轴的转动,用以模拟试件两端为铰接的边界条件。加载装置如图2所示。为使钢柱在轴心压力作用下受力均匀,钢柱上下两端均焊有端板。端板尺寸为350mm×350mm,厚度为20mm,采用Q345B普通钢。端板在焊接到钢柱端部前,首先划线定位,找准中心再焊接固定。试验中在单刀铰面上画出定位中线,以实现钢柱所受压力为轴心压力,并在端板区域边缘焊接小钢板,以防钢柱失稳时侧向滑出。试验采用带电液伺服的500t压力试验机进行单调加载。在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,提高采集数据的准确性。对于未加固试件CI-UR和未负载加固试件CI-S1,采用一次性加载至破坏。而对于负载下焊接加固的钢柱试件CI-S2和CI-S3,首先加载至既定初始轴压力,然后保持该轴压力不变,同时按设定的施焊顺序对加固钢板和钢柱的连接焊缝进行施焊,待所有焊缝焊接完成并冷却至室温后,继续加载直至构件发生最终破坏为止。1.3加固钢柱焊接加固钢板和翼缘端部的连接采用全长角焊缝连接,焊脚尺寸为4mm,试件采用二氧化碳气体保护焊进行焊接,焊机为OTCXD500S,焊丝采用ER50-6,焊丝直径1.2mm,焊接过程中电压和电流分别为23V和200A,符合规范规定。加固焊缝的焊接过程,按CECS77:1996和YB9257—1996中的规定,并考虑方便施工设计其焊接过程。在施焊前,首先将加固钢板采用G型夹钳(图3a)夹持定位至翼缘外侧并全长相互压紧,然后采用点焊固定,点焊间距为焊缝焊接分段长度,取350mm。待点焊固定后,拆除G型夹钳,并按图4中设定的焊缝分段和焊接顺序进行加固焊缝的焊接,现场焊接如图3b所示。焊接顺序的拟定是考虑钢柱轴心受压的特性,并遵循分散、对称、短时、多道的焊接原则,焊接从两端向中部推进,且采用对称施焊,即沿钢柱长度方向按A01-A02-A1-A2-B1-…D1-D2的分段顺序进行,钢柱每段焊接包括南北两侧。根据CECS77:1996的规定,对分段长度为350mm的A1至D2段进行细分,每道70mm,共10道,按从1或2开始采用对称施焊。所有焊缝施焊完成后,待构件冷却至常温状态后,继续加载直至钢柱最终发生破坏。1.4钢柱的应变片布置单刀铰转动中心与柱端面中心距离为170mm,因而钢柱的铰接长度Lt=L+340mm(表1)。图2中DI1~DI9均为位移计编号,DI1和DI2用以测量试件高度的1/2处失稳平面外的横向位移,DI3和DI4采用拉丝量测钢柱在轴向压力作用下的竖向压缩变形,DI5~DI8用以量测单刀铰支座的转角位移,并用于判断铰的转动是否符合要求,如图5所示。DI9用于量测试件高度的1/2处强轴方向的横向位移。对于两端铰接的轴心受压钢柱,将未加固钢柱和加固后钢柱试件设计为绕弱轴的整体失稳,由于两端铰接柱失稳破坏的临界截面通常是在柱高中点处,因而在各试件的1/2柱高度处截面布置了应变片,用于分析该临界截面的应变分布。对于负载下焊接加固的钢柱试件CI-S2、CI-S3,仅在腹板上布置应变片,并量测在初始负载下焊接加固过程中腹板截面的应变分布。各试件的应变片布置如图6和图7所示。同时在各钢柱试件两端布置了4个应变片,根据测得的弹性阶段的应变数据,用以检查钢柱的轴压力是否存在偏心,并反算出荷载的初偏心。1.5截面中心偏差距离在试验前对所有试件在失稳平面内的几何初弯曲进行了测量,如图8所示。采用光学测量经纬仪测量了柱长四分点处截面中心偏离柱两端截面中心连线的距离,分别记为δ1、δ2和δ3,最后取三者中的最大值作为钢柱的几何初弯曲值δ0。测量初弯曲结果见表3。2试验结果及分析2.1柱的水平位移随荷载变化的规律从试件破坏形态上,所有试件的失稳破坏形态均是绕弱轴的弯曲屈曲。典型的整体弯曲失稳破坏形态如图9所示。图10给出了典型试件的柱高中点处水平位移随荷载变化的曲线。从图10中可以看出,位移计DI1和DI2(图2)的位移基本保持一致,因而试件最终的失稳属于纯弯曲屈曲。从图10b中可以看出,负载下的加固焊接过程增大了试件的柱中水平位移,因而曲线出现一明显平台段。2.2ci-s1初始刚度各试件的荷载P和钢柱竖向位移Δv以及柱高中点处截面水平位移Δh的关系曲线,分别如图11和图12所示。由图11可知,试件CI-S2和CI-S3,在初始负载下的加载,其初始刚度和未加固钢柱试件CI-UR的基本相等,加固后刚度有所增大,与未负载下加固的试件CI-S1的初始刚度近似相等。表4中列出了4个试件的极限荷载,其中σ0/fy为名义应力比,其中σ0为试件在初始轴压力作用下按轴心受力构件计算的名义应力,fy为由材性试验得到的材料名义屈服强度,取腹板和翼缘材性结果的较小值,即表2中8mm和10mm板的较小值,即fy=378.5MPa。由表4可见,试件焊接加固后的承载能力提高明显。初始轴压力为500kN的试件CI-S2,其加固后的极限荷载相比试件CI-S1仅降低了3.2%。由于二者的几何初弯曲基本相当,通过对比得出,试件CI-S2的极限荷载受初始负载的影响可以忽略。试件CI-S3初始轴压为800kN,其极限荷载比试件CI-S1提高了20.9%,这是由于其几何初弯曲比试件CI-S1小很多。2.3加固前后钢柱的变形分布情况对比试验中对CI-S2和CI-S3的各测点位移进行了量测。试件CI-S2和CI-S3从初始加载到冷却至常温时的竖向位移和柱中部水平位移时程曲线分别如图13和图14所示。其中,图14中柱中部水平位移Δh取值为图2中位移计DI1和DI2实测数据均值。从图13中可以看出,在点焊阶段,钢柱的竖向位移基本稳定不变,而在加固阶段和冷却阶段,Δv持续增大,其中,在冷却阶段,Δv增大较加固焊接阶段大。从图14中可以看出,试件CI-S2和CI-S3的柱中部水平位移在点焊固定阶段变化较小,在加固焊接过程中,位移呈现锯齿状的波动,且焊缝越靠近柱高中点时,Δh波动越明显。进入冷却阶段时,试件的水平位移都随着时间而减小,最后达到一个稳定值。2个试件不同的是:加固前后试件CI-S2的Δh总体呈现出增长的趋势,而试件CI-S3的Δh处于波动状态,冷却后Δh较初始加载后变化很小。试件CI-S2、CI-S3在负载下焊接加固前后位移指标Δv和Δh值列于表5中,表中各位移指标中,下角标的0和1和分别指焊接加固前和加固冷却后两种状态。由表5对比可知,初始荷载越大,加固冷却后竖向位移亦随之增加,残余压缩变形增大,而柱中水平位移则相反,试件CI-S3的Δh1相比Δh0有所减小,这是因为在相同条件下,由于试件CI-S3的几何初弯曲系数很小,对试件受力产生有利的影响,可见,试件的几何初弯曲越大,焊接加固后钢柱残余的几何弯曲越大。在焊接过程中,对距柱中部最近的两段焊缝分段(D1和D2段)的各条焊缝位移进行了量测,南北两侧加固板D1和D2段焊缝的实际焊接顺序为:从2开始的对称施焊,即2-1-4-3-…-10-9。随着北侧D1段(图4)中各条焊缝焊接的进行,试件CI-S2、CI-S3产生竖向变形,如图15所示,柱中水平位移的时程曲线如图16a和图17a所示,其中包括2个位移计DI1、DI2(图2)的实测值及二者均值。从图15中可以看出,在焊接过程中竖向位移Δv曲线规律性不强,呈随机波动性。2个试件在南D1分段的焊接过程中,Δh的变化分别如图16和图17所示,结合试件在加载过程中产生水平位移的方向和各道焊缝所在位置,并根据Δh走势可以看出,焊接某一侧的加固焊缝时,水平位移Δh沿该侧发展。从图16a和图17a可知,钢柱并未因交替的焊接过程而产生扭转变形。不同于竖向位移Δv的是,柱中部水平位移Δh随焊缝道次的变化而呈现出交替增减的规律。2.4加固前和冷却后应变由于焊接过程中,受热输入的影响,从焊接开始至钢柱加固后冷却阶段,应变测点的数据受到温度的影响,为此,仅给出加固前和冷却后的应变。加固前和加固冷却后试件腹板的应变分布对比如图18所示。由图18可见,从加固焊接前到加固焊接加固冷却后的过程中,作用在试件上的初始轴压力均保持恒定,经加固施焊后,在焊接冷却后柱中腹板压应变较加固前有所增加。2.5钢柱稳定承载力对各试件的整体稳定承载力按GB50017—2003、CECS77:1996和YB9257—1996的相应规定进行计算,并与试验分析的结果进行对比,结果如表6所示。用规范计算钢柱稳定承载力时,稳定系数计算中的钢材屈服强度采用材性试验得到的材料名义屈服强度fy=378.5N/mm2。试件计算长度取表1中Lt。对比表6可见,规范对两个负载下焊接加固后钢柱的计算稳定承载力折减较多,按规范计算加固后钢柱稳定承载力,其结果偏于保守。加固后的3个试件的计算值都比未加固试件CI-UR的计算值低,而试验值却比试件CI-UR的提高了45.2%到81.3%。试件CI-S3的几何初始缺陷较小,因而其稳定承载力比规范计算值高出很多。3钢柱的变形分析1)4个轴压钢柱试件最终均发生了明显地绕弱轴的弯曲屈曲,没有出现扭转情况,卸载后试件整体失稳的残余变形明显。2)试件CI-S2、CI-S3在负载下焊接加固前后,腹板的应变发生了明显变化,试件加固完成并冷却后,柱中截面腹板压应变比加固前有所增大。3)试件在负载下焊接加固