钢结构相贯管节点的加固设计与分析

摘要：在我国现阶段中，钢管结构在结构工程领域中的应用范围越来越广泛，尤其是在海洋工程中导管架基础结构有着广泛的应用。钢结构在规定的时间与条件下，受各种因素的影响或已不能满足现有的使用功能的要求，故需对其进行必要的加固，使之满足现阶段的使用功能要求。鉴于此，本文结合笔者多年实践工作经验，就钢结构相贯管节点的加固设计与分析课题展开了相应的探讨。

关键词：钢结构；节点；加固设计

中图分类号： TU391 文献标识码： A

前言

常用的钢结构节点负载下加固方法主要有以下六种：梁翼缘加盖板加固、梁翼缘加侧向盖板加固、梁翼缘加腋加固、梁翼缘加肋板加固、端板角焊与围焊加固、高强度螺栓加固。虽然目前负载下钢结构焊接节点加固应用很多，但是国内外针对该方法的研究甚少，目前除了美国的FEMA355D和前苏联的《改建企业钢结构加固计算建议》，只有我国的《钢结构加固技术规范》(CECS77:96)和《钢结构检测评定及加固技术规程》(YB9257―96)，且需要补充完善。

本文主要针对负载下钢结构端板连接节点端板侧焊缝加固与负载下钢框架梁柱节点梁翼缘盖板加固两类节点，根据相关规范、规程和有关文献通过算例进行分析比较，同时找出现有规范、规程和常用设计方法的差异与不足，为规范的修订提供参考。

一、钢结构相贯节点的分类

相贯节点有很多类型，按几何形式分类，可分为平面节点与空间节点两大类。前者为所有杆件轴线处于同一平面或几乎处于同一平面的节点。在节点处贯通的钢管通常称为主管或弦杆；其余称为支管或腹杆。

工程常见的空间节点形式包括TT型、XX型、KK型、TT型以及TX型等。平面节点的互相组合(共用一根弦杆)，可以形成多种样式的空间形式，所以实际空间节点的种类不限于上述几种。方管为弦杆的节点，方管可以偏转45度后与腹杆连接；空间曲线桁架和网壳中的节点，弦杆并非直线，这些都增加了空间节点形式的变化。

相贯节点根据腹杆是否搭接又分为：间隙节点，全搭接节点，部分搭接节点。其中间隙节点成本最低，然后是全搭接节点，部分搭接节点成本最高。一般来说，与间隙节点相比搭接节点具有较高的静力腹杆。弦杆截面为圆管的节点通常称为圆管节点；弦杆截面为方管或矩形管截面的节点则称为方管节点。工程中较多遇到的面节点有：T型(Y型)、X型、K型(N型)、TK型(即在弦杆一侧有三根腹杆的情况)，此外还有KK型（如图表1.1所示）。工程常见的空间节点形式包括TT型、XX型、KK型、TT型以强度与疲劳性能，但搭接接头的成本较高，而且被搭接腹杆隐藏的部位需要焊接时，必须在搭接腹杆定位之前进行，这样就不能在整体结构焊接前将所有的杆件定位并点焊，使得焊接过程更加复杂。

按组成节点的钢管的类型可分为：圆管―圆管相贯节点、方管―方管相贯节点及方管―圆管节点。前两种应用较多，后者刚开始使用。方主管―圆支管节点中的圆支管的相贯线是椭圆，故较圆管―圆管节点中的圆支管更容易放样切割。但是，目前国内外对于方主管―圆腹杆相贯节点的极限承载力的理论和试验还很少，一定程度上限制了这种节点的应用。在大多数结构中，相贯节点仅作为铰接点处理，原因是细长杆件约束弯矩不大，在有些情况下则由于弦杆壁抗弯刚度小。但是，相贯节点在某些情况下可以也必须实现刚性连接的要求。

目前，包括我国钢结构设计规范在内的国内外大多数相关规范规程，都是根据上述节点几何形式来划分节点的类型。

二、钢结构节点加固设计

（1）、端板连接节点端板侧焊缝加固

梁柱均采用焊接H型钢，梁截面尺寸为300×200×8×12，柱截面尺寸为300×250×8×12，且柱翼缘在端板外伸边缘两边100mm范围内局部加厚，其厚度与端板厚度相同，均为20mm。螺栓为10.9级M20摩擦型高强度螺栓，其余零部件与大构件的材料均为Q345B钢。焊角尺寸根据规范分别采用:7mm、9mm、11mm。端板详细尺寸如图1所示，端板加劲肋为等边直角三角形，直角边长为100mm，其厚度为10mm。

图1 端板详细尺寸

各规范、规程和文献资料中，均只提到了栓焊并用连接时的抗剪性能，但对其弯矩在焊缝和螺栓中的分配并未提及，本文将按规范计算其抗弯承载力。查规范得出:fwf=200N/mm2，fbv=310N/mm2，fbc=500N/mm2，μ=0.50，P=155kN。计算得出梁的全塑性抗弯承载力为M=306kN・m、抗剪承载力为V=445kN，端板未焊接加固时的抗弯承载力为M0=241.1kN・m，抗剪承载力为V0=778.7kN。不同计算方法、不同焊角尺寸和不同加固方法(如图2)的最终计算结果如表1。

图2 端板连接节点加固示意图

表1 端板连接节点加固计算结果对比

表中各数值均为当梁柱强度足够时，节点的承载能力极限值；Va1、Vb1为非负载下的抗剪承载力；Va2、Vb2为名义应力比0.25时的抗剪承载力；Wax、Wbx与Ma、Mb分别为焊缝截面模量和其抗弯承载力；下标a、b分别表示两种不同加固方法。对比上述计算可得出以下结论:

1、从本算例可以看出，当端板采用7mm侧面角焊缝时，其抗剪、抗弯承载力已经超出了梁的抗剪、抗弯承载力，若增加焊角尺寸或围焊，对结构的整体承载力并无影响，但其焊接热所产生残余应力却对结构极其不利，且加固方法b加固后的抗剪承载力较加固方法a提升不明显，但端部角焊缝焊接时所产生残余应力的影响却不可忽略，除特殊情况外，不应对端板进行围焊加固。

2、加固方法b加固后的抗弯承载力较加固方法a提升明显，但考虑到焊接热对结构残余应力的影响，除由于节点抗弯性能不足时，不应采用端板围焊加固。

3、当负载下加固计算时，规范计算得过于保守，规程和日本学者所提出的计算方法更经济合理，但是其中焊缝和螺栓受力的分配系数还有待进一步研究完善。

（2）、钢框架梁柱节点梁翼缘盖板加固

当盖板厚度太小时，则不能达到预期的加固效果；当盖板厚度过大时，其与柱翼缘之间的焊接尺寸较大，焊接过程中产生的焊接预应力对结构的影响又不可忽视。本文采用梁为400mm×150mm×8mm×12mm、柱为450mm×250mm×12mm×16mm的焊接H型钢进行计算。螺栓为10.9级M20摩擦型高强度螺栓，其余零部件与大构件的材料均为Q345B钢。选用盖板长300mm，其厚度分别为10mm、12mm、14mm，如表2

表2 盖板加固节点加固计算结果对比

规程和FEMA中均未提到负载下梁与盖板如何分配弯矩，该算例中有文献提出了负载下弯矩在梁与盖板上的分配方法。其中“0”表示未负载，“0.25”表示其名义应力比。对比上述结果可以得出以下结论:

1、当盖板从10mm增加到14mm后，其承载能力极限值有所增强，但盖板厚度不宜太大，当厚度超过梁翼缘厚度的1.2倍时，考虑到梁翼缘所能承受的弯矩有限，故不宜过度加大盖板厚度；当增加盖板长时，根据相关参考所提出的计算理论，其塑性铰将向梁中心移动，会增加节点所分配到的弯矩，故也不宜过度增加盖板长度。

2、当该节点未加固时，所能承受的最大弯矩为265kN・m，可以看出，盖板加固后，其节点承载性能的提升很明显，但其梁翼缘和盖板弯矩的分配还有待进一步深入研究。

三、结语

总而言之，为不影响正常的生产，需要对结构进行负载下加固。为保证负载下加固的安全施工及保证良好的加固效果，需要保证其应力比限制在一定的范围内。在对钢结构节点进行加固时，需要考虑诸多因素，最重要的是选取加固类型和加固截面尺寸。最终采取何种加固类型和加固尺寸，需根据相关因素、经济条件、施工环境等综合考虑。

参考文献

[1]武振宇，陈鹏，王渊阳．T型方管节点滞回性能的试验研究［J］．土木工程学报，2008，41(12):8-13．

[2]石永久，王磊，王元清，等．钢结构高强度螺栓与侧焊缝连接建议设计方法［J］．现代钢结构，2013，43(3):108-112．