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H 型钢翼缘孔洞性能研究及其加固处理措施单建华*何 军(中冶南方工程技术有限公司，武汉，430080)摘 要 在工厂设计中，由于各种原因经常会遇到钢梁开洞的现象，给工程设计造成了许多困难。本文结合工程实际提出了现有加固方法在理论上的不足之处。应用工程有限元软件 Ansys 对 H 型钢梁开孔及其补强措施进 行了分析，研究了孔洞对钢梁性能的影响，对不同加固方法的加固效果进行了分析，并探讨了不同因素对其产生 的影响。关键词 H 型钢；工程有限元；加固；峰值应力；引言在工厂设计中，由于各种原因经常会遇到钢梁 开洞的现象，并给结构设计造成了许多困难。在工 程实践中具体表现在以下几个方面：对原有项目进行改造，并且无法避免的和原有 钢梁相碰；工艺、设备布置等本身特有的复杂性和 多样性的特点，要求在使用过程中通过结构梁而造 成开孔现象(如图 1 所示)；各专业之间设备或管网 等变更或考虑不周，造成管道相互碰撞，最后要求 在结构梁上开洞；结构位置、空间等受到限制，使 得结构构件无法避让管线等而造成开孔。性矩)；削弱截面 后的钢梁 为： A = A ? A ,0c0hIc = I0 ? Ih ;补强构件的截面特性为：Ar (补强构件的面积)，Ir (补强构件的惯性矩)； 原则上为：Ar + Ac ≥ A0 ,Ir + Ic ≥ I0 (1)图 2 所示为基于(1)式的工程中常用的几种加固方法示意图，而图 3 所示为工程中 H 型钢梁翼缘开 洞后的加固实例，可以看出该工程的的加固方法是 图 2 中前两种方法的结合。(a)补贴 t 厚钢板(b)加宽翼缘图 2 不同加固方法(c)新增 T 型板图 1 设备安装造成的钢梁开孔现象Fig.错误！未找到引用源。 Steel beams with hole due to the facility installation综上所述，工程实践中钢结构梁开孔是非常普遍的现象，而 H 型钢是工程应用得最为广泛的材料， 因此对其加固理论的研究具有重要的工程意义。针对当前工程实际应用中，对于钢梁局部开孔 的加固处理措施通常的做法是补强原则，即加固后 的构件强度和刚度不小于原有构件的强度和刚度。 设原有钢梁截面特性为： A0 (截面积)、 I0 (截面惯性矩)；所开孔洞为： Ah (孔洞面积)、 Ih (孔洞截面惯Fig.2 Different reinforcement methods图 3 工程加固实例Fig.3 Reinforcement example in practice对于式(1)所阐述的加固理论，依据《钢结构加* 通讯作者.Tel: 027E-mail: mailto:peter_shan2002@163.competer_shan2002@163.com.? 42 ?固体力学学报2008 年第 29 卷固技术规范》[1]CECS 77:96，在工程实践中尚存在以下几点不足： 加固构件与原有构件之间协同工作的程度，并且加固构件可能产生的应变滞后情况；原有结构因 为开孔存在一定的损伤等不利影响；孔洞的产生使 原有构件产生荷载偏心，结构变形或局部损伤等特 性，且许多不利因素使结构产生附加应力；一些工 程是在施工现场切割而成，对开孔洞不可能在理想 状态下圆滑，这样不可避免地产生尖峰应力集中 [2]。综上所述，(1)式所揭示的加强原则是不够的， 应该对其进行深入研究来揭示其加固特性。为 206 GPa。开孔钢梁的有限元模型如图 6 所示。图 6 H 型钢开洞后有限元模型Fig.6 FEA modal of the H-beam with a flange opening图 7 和图 8 所示分别为梁在开孔前后沿梁轴线方向应力的分布情况，由图可以看出在梁开孔位置出现 了较大的应力集中，翼缘的拉应力幅值由开孔前的190 MPa 增加到了 524 MPa，增加了接近 2 倍，在 施工条件不好的情况下，如此大的拉应力极有可能 引起局部开裂。如果采用的是 Q235 钢，则在洞口 一定范围内的钢材均已达到屈服强度，从而形成一 个塑性发展区域，而洞口附近钢材的屈服会导致截 面上的应力重分布，使得应力向周边扩散，形成一 个更大范围的屈服区，一旦这个屈服区贯通了整个 削弱截面则其对梁的承载能力是极为不利的。另一 方面，开孔前后梁的最大挠度分别为 5.5 mm 和 6.8 mm，开孔后挠度增加了约 20%，这说明较大的洞 口对梁的刚度有一定的影响，但挠度的绝对值仍然 较小，处于可控制范围之内。通过以上两方面情况 说明当洞口较大时其对梁的整体受力性能会产生较 大影响，需要采取有效加固措施。有限元结构分析结合工程实际，本文采用的计算模型如下：一 跨简支焊接 H 型钢梁，型钢梁的截面尺寸