某钢平台主次梁连接节点加固施工技术

某钢平台主次梁连接节点加固施工技术

摘要：在某钢框架结构平台梁节点补强施工中，通过分析计算，制定合理的焊接工艺，对负荷状态下钢结构节点进行焊接补强，使该节点承载力提高了120%，有效地解决了节点承载力不足的问题，保证结构的正常使用。为今后研究钢结构在负荷状态下焊接加固提供了实践经验。

关键词：连接节点；负荷状态；加固；焊接

1 工程概况

某钢框架结构厂房设备平台，其设备支座次梁截面为H1 400×400×22×30，框架主梁截面为HN1 000×300×19×36，支座次梁与框架主梁采用端板连接(图1)。

根据设计要求，此节点连接共需48个M20高强螺栓，螺栓等级为10.9级(表1)，而实际施工时只用了24个M20高强螺栓，故需对此节点进行分析计算，确定是否需要加固补强。

图1 主、次梁连接节点

表1 设计节点参数

次梁截面螺栓直径/mm螺栓中距/mm螺栓边距/mm螺栓排数螺栓列数螺栓等级连接板厚/mm材质节点抗剪承载力/kNH1400×400×22×3020704512410.930Q345B2600

2 节点实际应力

根据设计结构计算模型，在满负荷情况下，该节点抗剪承载力要求为2 600 kN，而24个M20(10.9S)高强螺栓的抗剪承载力为：

。

式中：nf为传力摩擦面数目；μ为摩擦面抗滑移系数；P 为一个高强螺栓的设计预拉力；N 为高强螺栓数量。

故该节点不能满足全部负载后的受力要求，需要对节点进行补强。根据工程施工情况，支座次梁上已安装部分设备，构件处于负荷状态，将实际施工荷载状况施加到结构计算模型中，经过计算分析得出此节点实际承受1 200 kN剪力，在此种负荷情况下节点能够满足要求。

3 补强方案

根据工程实际情况，若先对该支座次梁卸载，然后再对节点进行修改补强，则不仅不能满足工期要求，而且整改费用巨大。经过分析研究，拟采用增加焊缝补强的方法，在连接端板两侧增加2条角焊缝，改栓接为焊接(图2)。

图2 补强节点

增加焊缝抗剪承载力为：

V=0.9helwfw=3 828 kN>2 600 kN。

式中：he为角焊缝计算厚度；lw为角焊缝总长；fw为角焊缝抗剪承载力。

故增加两条角焊缝可满足设计要求，但在补强施工前需对节点在焊接过程中的受力情况进行分析，制定合理的焊接工艺，保证在补强过程中节点的安全，具体施工工艺流程如图3所示。

图3 节点补强焊接施工工艺流程

4 焊接过程中材料承载力

1)焊接时焊缝热影响区域。根据试验数据，一般焊接时焊点的局部温度在1 350 ℃，在焊点周大于210 ℃温度场大小不超过80 mm×40 mm 的围区域，在焊缝长度方向为80 mm，宽度方向为40 mm，该区域周边20 mm范围内的温度迅速降到100 ℃，且该区域温度在焊接结束1 min内降为120 ℃，3 min内降为80 ℃，5 min内降为60 ℃[1]。

2)Q345B钢材在升温情况下的材料性能。钢材的受力性能随温度的升高而下降，一般钢材在200 ℃以下其强度变化不大，当温度超过300 ℃时，其强度下降、塑性增加[2]。根据试验数据，直接焊接区域温度下钢材不具有承载力，没有焊接的区域温度在500 ℃度以下，此时剪应力不宜大于0.7倍的设计值(表2、表3)[3]。

表2 Q345B钢恒载升温下应力水平

试件编号恒载应力水平σ/MPa破坏温度/℃

10.7fy56020.8fy51030.9fy500

注：fy为钢材屈服强度。

表3 Q345B钢恒载升温下的变形 mm

温度/℃不同应力水平下的变形0.7fy0.8fy0.9fy350-1.351.81400-1.452.454500.352.13.25000.7511.45-55010--

注：fy为钢材的屈服强度。

由于节点处已施加荷载1 200 kN，经计算，承载1 200 kN剪力所需钢梁腹板高度为(不考虑高强螺栓受力)H1=504 mm。主梁截面高度为1 000 mm，故可直接焊接的区域长度H2=424 mm。

3)焊接过程中对螺栓承载力的影响。由表4可知，当温度低于

200 ℃时，温度对抗剪承载力的影响可以忽略不计[5]。当温度达到

300 ℃时，螺栓抗剪极限承载力为常温时的76%。根据节点处螺栓布置情况，沿焊缝长度方向螺栓间距为70 mm，垂直焊缝方向螺栓边距为45 mm，若采取分段对称退步焊的焊接长度为200 mm，影响范围内有6个高强螺栓，考虑此部分螺栓按70%的承载力计算，全部高强螺栓的抗剪承载力为V=1 548 kN>1 200 kN；因此，焊接过程中螺栓能满足受力要求。

5 焊接方案

1)焊接技术措施。根据前面分析，对该节点补强采用逐层对称退焊，焊接顺序和长度如图4所示。具体焊接参数如表5所示。

表4 升温下高强螺栓抗剪承载力