芮 斌,陈祥勇,张华平

(中冶华天工程技术有限公司,安徽 马鞍山243005)

1 工程概况

该工程为一泰国钢铁厂炼铁工程项目的铸铁机基础,在设计的时候没有完整分析柱脚的受力,设备专业在考虑荷载时,严重忽视了柱脚的弯矩,故在设计时仅配了6根M56螺栓,基本没有考虑柱脚的加劲(仅设-300×300×10钢板8块,如图1所示),结果在工程完工投入使用的过程中,由于铁水倾倒产生非常大的倾覆力矩,在投产不久,柱脚螺栓处混凝土出现破坏,造成较大的安全隐患,于是工厂停止生产,设计单位对柱脚重新设计和加固。

图1 柱脚原始设计

本工程除螺栓外,所有钢材均为Q345,混凝土为C25。

2 加固思路

根据和相关其他专业的会审结果,对设备运行过程中产生的荷载进行重新计算,确定了事故产生的原因;根据最终计算结果,确定了柱脚的荷载情况,根据此情况确定了以下加固方案:①对破坏的螺栓连同已破坏的混凝土进行更换;②由于柱脚弯矩较大,故需加强柱脚水平刚度,而加大水平刚度最有效的方式是加肋(弯矩方向)。通过对大量相关资料的研究[1～9],最终确定了加固方案,并根据加固方案对柱脚进行有限元建模初步计算,柱脚做加劲肋主要有以下几个问题:①加劲肋的具体尺寸很难确定;②加劲肋刚度和混凝土的抗压强度之间的矛盾很难界定,当加劲肋端部的刚度过大时,在弯矩作用下,加劲肋端部的混凝土很容易被压碎。为此在计算时设定肋3个参数:H、a和h,通过参数化计算,得出最优加固方式,参数见图2所示。

3 加固计算

由于立柱的受力方向比较明确,故在建模计算时,于本结构计算无关的部件均省略;对结构来说,如图2所示,加劲肋1由于受力较小,其作用主要是保证支座钢板的刚度,以保证螺栓能均匀受力,故在本文不做重点分析,其结构在初步计算过程中就已得出,在此不做赘述,本文主要针对加劲肋2进行计算分析。

根据图纸资料,对结构进行有限元建模计算,模型图如图3所示。在确定计算参数之前,进行了大量的计算工作,故在计算之前,对各参数的取值范围已有一定的了解,在此对最初的计算结果不做详细分析。

图2 加固方案

图3 结构单元模型

根据最终计算确定的荷载参数,立柱所受轴力标准值为1 087 kN,弯矩标准值为1 126 kN,本文不考虑各种系数,若需要安全系数,可根据结果进行相应处理。

由于现场条件的限制(与设备碰),加劲肋的总宽度受到限制,如图2所示,加劲肋的最大宽度为1 090 mm,而混凝土也只能增加到整个位置。

3.1 H参数分析(螺栓加固计算)

对于参数H取 4个数值,分别为 400 mm、600 mm、800 mm、1 000 mm,根据这4组数值计算最优 H值,而进行 H参数计算时a为1 090 mm,h值和H值相同。H参数位置见图4所示。

表1 参数H值变化主要受力部位最大mises应力值(MPa)

根据对结构初步受力状态的分析,螺栓的受力较大,已超出了材料的受力允许值(M56螺栓最大允许应力为140 MPa),而增加加劲肋的刚度是缓解螺栓受力的最佳途径,如表1所示,随着H参数的逐渐增加,螺栓应力值迅速下降,当H值为1 000mm时,螺栓的应力只有65.3MPa,如图5所示,完全能满足螺栓的材料要求。

图4 H参数模型图

图5 螺栓最大mises应力值随h变化曲线

而对立柱和加劲肋连接处的受力存在应力集中现象,最大应力区域较小,且其最大mises应力值随着加劲肋高度的变化上下略微波动,但是影响不大,波动范围在4%以内,但是此处的最大mises应力值已远远超过材料的允许应力值,故在下面的参数分析中要考虑此处的受力规律。

对加劲肋端部的混凝土来说,加劲肋的高度增加,其受压应力值也随之增高,当H达到800 mm时,应力值已超过材料的允许应力值(C25混凝土,fc为11.9N/mm2)。

以上分析说明,单纯变化加劲肋的高度是不能满足结构加固的要求。

3.2 h参数分析(混凝土加固计算)

根据表1的计算结果,对螺栓来说,加劲肋高度在1 000 mm时其最大mises应力最小,但是相应的混凝土应力较大,这是因为随着加劲肋高度的增加,混凝土压力合力中心点的位置向外移,当加劲肋的高度增加到一定数值后,就会出现受压混凝土外侧的应力值大于内侧的值,这样就会出现混凝土边缘压碎问题。

在前面的计算中,加劲肋为一矩形,为解决端部混凝土压碎问题,将加劲肋做成梯形,减小加劲肋端部的刚度,以减小加劲肋端部对混凝土的压力,为此对结构做了相应的变化,如图2所示,将加劲肋左端的高度做一个参数 h,加劲肋总高度和上部宽度不变(此处上部宽度取600 mm,取值依据3.3计算结果),计算分析h参数变化结构各主要构件的应力变化情况。

如表2、图6所示,当加劲肋h参数变化时,则螺栓的最大mises应力变化较小,上下浮动不超过 6%,这证明 H参数的取值600 mm是合理的;立柱和加劲肋连接处的mises应力几乎不变化,这说明h值的变化和其应力值关系不大;而混凝土的应力变化则非常明显,如表2所示,当h值超过600 mm后,混凝土的应力值迅速上升,并超过了材料的受压应力允许值。这说明混凝土的应力大小和h参数的大小有关,而越小越有利,而为了底部混凝土的受力均匀性,h值也不宜过小,建议取200 mm～400mm。

图6 混凝土应力变化曲线

表2 参数h值变化主要构件最大mises应力值(MPa)

3.3 a参数分析(立柱和加劲肋连接处加固计算)

通过表2的计算可知,立柱和加劲肋连接处的mises应力值是整个结构应力值最大的部位,经过对结构受力体系的分析并经反复试算,最终确定对其值影响最大的是加劲肋的上部宽度(加劲肋的高度对其受力也有一定的影响),在确定了H值和h值后,经过对加劲肋的上部宽度参数 a的计算可以最终确定最佳的方案。由计算可知h值最佳在200 mm～400 mm之间,在此处计算中取h值为300 mm。如图7所示,随着a值的增加,螺栓应力值逐渐降低,而混凝土应力值逐渐增加;对立柱和加劲肋连接处来说,a值为200 mm时应力最低,为182 MPa,但是此时螺栓的应力值达89.3 MPa,对本结构来说偏高,不可行。

表3 参数a值变化主要构件最大mises应力值(MPa)

图7 混凝土应力变化曲线

根据表3所示应力变化关系,对本结构立柱和加劲肋连接处的应力来说,a值范围为200 mm～800 mm范围均可行,具体取值可根据实际需要。

4 结 论

通过以上计算分析,对本结构来说,加劲肋高度满足1 000 mm,加劲肋左边的高度取200 mm～400 mm,加劲肋上部宽度取200mm～800 mm时,结构的计算是满足要求的,最终加固方案是参数 H为1 000 mm,参数h为 300,参数 a为600 mm,工程加固完已一年多,运行良好,混凝土、螺栓和加劲根据现场反馈的意见均没有再出现任何问题。

[1] 童根树,吴光美.钢柱脚锚栓的设计方法[J].建筑钢结构进展,2005,7(1):27-36.

[2] 刘世恩,刘胜君.加劲板的计算方法研究[J].工业建筑,1998,28(10):30-32,47.

[3] 刘云峰,车中良.浅析建筑钢结构加固技术[J].民营科技,2010,(6):267.

[4] 黄克坚.钢结构加固设计几点体会[J].黑龙江科技信息,2009,(34):373-374.

[5] 李丽,金凌志.钢结构在加固改造工程中的应用[J].工业建筑,2009,(24):63-65.

[6] 卢杨,陈常杰,姚 波.超重荷载钢桥铺装结构设计与桥梁加固方案研究[J].公路,2008,(5):50-53.

[7] Allen H G,Bulson P S.Background to Buckling[M].London:Mc-Graw-Hill Book Co.(UK)Ltd.,c 1980:549.

[8] 成戎,王志浩,石潇岩.加劲肋在大宽厚比方钢管混凝土柱中的应用[J].工业建筑,2008,38(1):100-102.

[9] 汪一骏,顾泰昌,等.钢结构设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.