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《MIDAS Monday》第89期：Midas Gen中增加截面法钢结构荷载状态强化分析
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荷载工况下钢结构增强截面法加固分析在midas Gen中的应用
1 简介
现行《钢结构加固设计标准》GB51367-2019（以下简称标准）钢结构加固工程中，加固设计可分为直接加固和间接加固两大类。 直接加固法分为增大截面加固法、粘贴钢板加固法和组合加固法。
其中，增加构件截面的加固方法覆盖面广，且施工相对简单。 特别是如果满足某些先决条件，还可以在负载下进行加固。 因此，它是钢结构加固中最常用的方法之一。
2 荷载状态下增截面加固法的应用条件
结构在加固和改造过程中经常承受荷载。 在完全卸荷的状态下进行加固将需要大量的人力、物力，而现场条件也未必允许。 然而，并非所有结构都适合荷载加固。 标准第6.1.6条解释：考虑到原构件钢有硬化、韧性降低、疲劳和断裂的可能性，应根据其所受载荷（静力）的性质进行强化。 、功率或多次重复）、环境条件（温度、湿度等）和结构的连接方式（焊接或螺栓、铆钉连接），即结构的设计工况，截面选择来控制其最大名义应变范围（弹性、部分塑性或塑性发展）以保证结构的耐久性、安全性和经济性，并相应划分构件的工作类别。 本文分别给出了四种不同设计工况的结构在荷载作用下焊接加固时初始最大名义应力的极限水平。 根据标准编制组完成的受载焊接钢筋梁的试验研究和有限元分析发现，对于初始应力比为0.673的构件，可以保证受载焊接钢筋梁的安全性； 同时学习了近期实际工程应用的经验。 因此规定Ⅲ类构件的应力比限值可提高到0.65。 结构分类标准如下。
在载荷条件下，钢构件焊接钢筋的最大名义应力应根据原构件的使用条件进行校核。
是否符合表6.1.6规定的应力比限值。 不符合规定的，不得在荷载下进行焊接加固； 应采用其他增加截面的方法进行加固。 在满足上述条件的情况下，钢筋钢构件采用放大截面法设计可按本标准第6.2～6.4条的规定执行。
同时，按《既有建筑物鉴定加固通用规范》（GB55021-2021）6.1.3-5内容校核结构及构件承载力时，应考虑应变滞后的影响考虑到。 从受力情况分析，新增部分的加固结构由于应力应变滞后，无法充分发挥其功效。 特别是当结构应变值较高时，受压构件和受剪构件往往出现在原结构中。 后期增设的部件相继损坏而造成的各种击穿现象，使得结构加固效果非常不理想或根本无效。 如何在分析中体现应变滞后的影响是分析中不可避免的问题。 钢筋的标准校核公式考虑了这个问题。 以受弯钢筋构件为例，校核公式如下：
式中，Mx、My——加固后绕截面质心x轴、y轴的加固前弯矩与加固后增加弯矩之和（N·mm），受弯构件引入强度修正系数ηm是为了考虑新加固截面的应力滞后和原截面应变可能过度塑性发展。 对于工程应用来说，实际获得加固前弯矩与加固后绕加固截面中心轴线增加的弯矩之和是比较困难的。 使用单一系数来考虑应力滞后也稍微简单一些。 因此，本文结合具体计算实例，介绍荷载下增截面法的midas Gen加固分析计算的实现。
3. Midas Gen在荷载作用下的加固分析与计算
3.1 计算实例介绍
本文计算实例采用四梁四柱框架钢结构受力分析软件，柱距为10*10m，层高H=5m，梁/柱截面尺寸为HW300x300x10/15。 剖面示意图如图2-1所示。 梁上初始线荷载为100kN/m，采用倒T145x250x10x10对原钢梁底部进行加固。 加固后，附加50kN/m的线荷载。 加固方法采用标准附录B.0.3 Form 7。模型图如图2-2和2-3所示。
图2-1 钢筋截面图
图2-2 加固前模型
图2-3 T型截面钢筋模型
3.2 技术路线
1、基于midas Gen施工阶段分析功能，进行非卸力加固。 midas Gen可以实现构件级施工阶段模拟，定义施工第一阶段的初始模型和加载数据，并进行应力分析。 加固段定义为施工第二阶段，并考虑附加荷载。 根据一期施工的应力和变形情况，对二期施工进行分析。 得到最终的应力和变形。
2. 使用施工阶段分析比较应力滞后模型和主要荷载模型之间的应力差异。
3、基于midas Civil组合截面函数，进行计算算例钢结构受力分析软件，验证midas Gen施工阶段的分析结果。
关键问题：分析时如何实现截面放大。 midas Gen 支持双部分模型构建方法。 同一职位设立两名成员。 这两个构件使用不同的横截面尺寸。 通过偏心设置加固后，横截面对齐。
3.3 实施过程及结果审核
四梁四柱基本模型的建模过程不再详细描述。 基于基本模型主要介绍关键操作步骤。
3.3.1 双截面建模
建模时，在同一位置建立双截面可以理解为在同一位置建立重复单元，即加固前的原截面H型钢和加固后增加截面的T型钢。 定义T型钢截面时，默认状态是H型钢和T型钢截面的几何中心重合。 通过考虑T型钢截面的偏心输入，可以考虑放大截面与原截面的真实相对关系。 偏心率定义如下。 修改偏心距时，将T型钢截面顶部向上偏移160mm作为插入点（1/2H型钢截面高度+预留焊接厚度，由于插入点远离截面方向，所以输入负值），输入具体参数如图2-4所示。 两个部分分别在施工步骤一（加固前）和施工步骤二（加固后）激活。
图2-4 参数输入
3.3.2 定义施工阶段
midas Gen支持会员级别的施工阶段分析功能。 通过分组功能，可以将H型钢定义为原始结构，将T型钢定义为钢筋。 同时，根据荷载情况，定义梁上100kN/m荷载为加固前荷载，50kN/m线荷载定义为加固后荷载。 分组后，利用施工阶段数据来定义施工阶段的具体步骤（这里的具体操作流程可以参考施工阶段分析操作示例）。 施工的第一步是加固前的结构分析。 此时，分析中的活动结构单元为原结构，边界条件为柱底固结，荷载条件为加固前荷载。 施工步骤2：施工步骤1分析完成后，激活钢筋即T型钢，同时激活加固后荷载。 具体操作如下图2-5所示。
图2-5 定义施工阶段
3.3.3 结果查看
采用双截面法进行建模，利用施工阶段分析功能计算得到原始状态下的结构变形和截面应力。 在原有应力和变形状态的基础上，增加T形截面和加固后荷载，以考虑应力滞后效应。 模型1采用施工阶段分析方法获得加固构件的应力和变形； 模型2的截面刚度一次组装，一次施加载荷。 通过比较两个模型构件的应力和变形，反映出应力滞后效应对结果的不同影响。
图 2-6 位移等值线
图2-7 杆件应力
对比竖向位移结果，模型一采用双断面和施工阶段分析，竖向位移最大值为235mm； 模型二采用加强型材整体拼装、一次加载的模型，最大竖向位移值为169mm。 计算 25% 的差异。 比较杆件的应力，模型一的最大应力为835MPa，模型二的最大应力为732MPa，计算结果相差14%。 比较两个模型的分析结果，模型二的变形和应力均小于模型一。
差异原因分析：模型2，截面刚度由H型钢+T型钢组成，一次组装，整体参与计算。 使用全截面特征计算截面的中性轴。 截面惯性矩和截面弯曲模量更加发达。 分析计算与整体建模模型没有什么区别。 它不能反映加固截面的受力特征，是最不利的单元。 44号单元，截面应力分布如图2-8 模型2。模型1，分步进行结构计算。 首先计算加固前结构的应力。 此时H型钢参与受力。 其截面特性仅根据H型钢的弯曲模量计算。 分析了杆件和H型钢的竖向位移。 截面沿中性轴的应力分布如图2-8左1所示。第二步，添加T形截面，并添加加固后荷载数据。 在现有应力的基础上，根据附加载荷的H+T形截面计算截面特性。 应力分布如图2-8的左2所示。
将H+T全截面模量下附加载荷下得到的应力分布与原H型钢在初始载荷下的应力分布叠加，得到杆件的最终应力分布。 变形计算相同。
图2-8 最不利截面应力分布
4. 总结
荷载状态下，采用放大截面法加固时，可以采用双截面建模方法，基于构件级施工过程模拟的应力分析可以更真实地还原加固过程中的应力应变滞后效应。 当截面刚度加固后整体组装时，一次施加荷载的分析方法所得到的计算结果往往是不安全的。 实际应用中需要注意计算结果，严格按照加固标准进行相应的指标控制。
由于本文篇幅有限，后面将利用midas Civil软件中施工阶段的联合剖面功能来检查和验证本文案例模型的分析结果。
作者水平有限，如有不妥之处，欢迎读者指正。
杨建华，MIDAS IT技术中心西区经理
沉阳建筑大学，结构工程硕士。 曾担任《结构帮》、《网络课堂》、《创答疑》等主编，也曾担任《走进大讲堂-建筑秀》带头人之一事件; 参加过麦达斯组织的数百场海外标准化培训，在工作中撰写了大跨度煤棚、工业厂房、电力设备基础等工业领域的优质案例。 对程序的使用以及与国外标准的接轨有比较深入的了解。
往期总结（如需完整内容请联系工作人员）
第一期：midasGen在景观结构中的应用
第二期：midasGen在石油化工领域的应用
第三期：midasFEANX在节点详细分析领域的应用
第四期：midas Gen在山地建设中的应用
第五期：midasGen在筒仓项目中的应用
第六期：midas Gen在混合结构中的应用
第七期：midas建筑模型导入及结果审核注意事项
问题 8：midasGen 舒适度分析的模拟设置
第9期：midas Gen超长楼板温度应力分析
第十期：麦达斯Gen钢结构防火设计的实施
第十一期：风荷载标准理解及midas Gen软件应用
第十二期：midasGen在储罐抗震分析中的应用
第13期：midas Gen和midas FEA多尺度模型分析
第14期：在midas中实现螺旋楼梯设计
第十五期：跳柱长度计算的实际荷载与集中荷载对比
第十六期：midas Gen在产业池中的分析与应用
第十七期：midasGen2021V1.1升级内容
第十八期：平面不规则结构扭转设计MIDAS的标准理解与应用
第十九期：结构力学中的手工计算和计算机计算
第20期：MIDAS GEN防火计算的步骤及注意事项
第21期：幕墙电缆预埋件的有限元分析
第 22 期：时间历程分析 - 谈论波浪选择 - 第 1 部分
第 23 期：时程分析 - 谈论波浪选择 - 第 2 部分
第24期：屈曲分析过程及相关问题-第1部分
第25期：屈曲分析过程及相关问题 - Medium
第26期：屈曲分析过程及相关问题-第2部分
第27期：装配式整体组合剪力墙节点分析
第28期：超长结构的温度应力分析
第29期：浅谈抗屈曲约束支撑
问题 30：计算 midas Gen 中的长度值
第31期：隔震分析相关问题
第32期：高层建筑空间旋转钢-混凝土节点弹塑性分析
第33期：地下结构内支撑系统的整体分析在MIDAS程序中实现
第34期：预应力结构施工阶段分析模拟
第35期：MIDAS在低温储罐项目中的应用
第36期：反应置换法软件操作及规格链接
第37期：基于IBC2009和IBC2012的地震荷载
第38期：钢结构稳定性分析二阶效应系数
第39期：关于接触分析和螺栓预紧力的一些思考 - 第1部分
第40期：关于接触分析和螺栓预紧力的一些思考-第2部分
第41期：midasGen在剪力墙稳定性分析中的应用
第42期：超高风电机组混合塔架结构分析要点概述
第43期：TMD在悬挑楼板舒适度分析中的应用
第44期：柱组件迟滞实验模拟分析
第 45 期：midas Gen-应用风荷载简介
第46期：midas发电机组温度与温度梯度的区别
第47期：加劲钢板剪力墙结构（纯钢）在midas Gen中的实现
第48期：结构力学中的手工计算和计算机计算（静定结构）
第49期：midas Gen中耗能减震装置的实现
第50期：在midas Gen中实施钢结构验证
第51期：midas Gen在地下结构分析中的应用
第52期：防爆工程有限元分析与探索
第53期：midas FEA NX中疲劳分析的实现过程
第54期：混凝土收缩计算方法简述
第55期：MIDAS施工现场识别及加固工程案例
第 56 期：关于在 Gen 中建立多层结构面板单元和应用地板荷载的注意事项
第57期：MIDAS在风机基础中的应用
第58期：施工阶段分析中接头断面的几种解释
第五十九期：MIDAS在光伏支架上的应用
第60期：多点激励分析概述及其在midas Gen中的实现
第 61 期：MIDAS 建筑结构 QA 10 常见技术问题
第62期：释放梁端约束含义及输入方法比较
第63期：MIDAS在柔性光伏支架中的应用
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