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摘要：现在建筑施工高层建筑钢结构越来越多，大多数高层钢结构采用的核心筒与外框钢柱形式，中间设置几层避难层及屋顶加强层，避难层结构设置4道伸臂桁架；在结构荷载的情况下发现桁架节点漏焊，如何在负荷状态下进行补焊就需极为谨慎。
关键词：圆钢管柱-钢框架梁；伸臂桁架；有限元分析；活荷载；《钢结构加固技术规范》
本文结合项目安装施工经验并经过相关专家论证，对此节点问题在负荷状态下如何补焊做进一步探讨，以便于后续发现同类问题处理时提供些许参考意见。
一、工程结构情况
本工程结构体系为框架-核心筒结构，采用钢筋混凝土核心筒作为结构的主要抗侧力构件；外框架采用圆钢管柱-钢框架梁。连接外框柱和核心筒的框架梁在核心筒端为铰接，在外框柱为刚接。为了提高结构的整体刚度，利用2个避难层和屋顶作为加强层，每个加强层均设4道伸臂桁架（如下图）。
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在伸臂桁架钢结构制作加工过程中，由于焊接的疏忽及后续构件验收工作不够细致，造成了钢柱牛腿与伸臂桁架斜腹杆上翼缘与桁架上弦杆相交处对应的一组两块竖向加劲肋深化加工时漏焊了，现场安装完成后发现了此问题。现就此节点问题在负荷状态下的处理方法进行探讨。
二、节点问题
节点位置：第二道加强层的伸臂桁架上弦杆与外框钢管砼柱的相交节点，如下图所示：
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节点问题：伸臂桁架斜腹杆上翼缘与桁架上弦杆相交处对应的一组两块竖向加劲肋深化加工时漏焊了，如下图所示：
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三、节点有限元分析
采用通用有限元分析软件ANSYS，单元类型采用solid45和solid95（节点网格加密区），材料模型采用理想的弹塑性材料模型。有限元网格划分模型详下图所示：
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取该节点在中震弹性下的最不利内力组合进行节点有限元分析。分析了四种情况：即桁架上弦杆与斜腹杆上翼缘对应处无加劲板、有加劲板（加劲板厚度t为别为50mm、30mm、20mm）
1）无加劲板
桁架上弦杆与斜腹杆上翼缘对应处无加劲板的节点分析应力分布，应变分布如下图所示：
由下图可知：在不设加劲肋的情况下，与斜腹杆相连的节点处大部分处于弹性工作状态，Von-mises组合应力小于376.073N/mm2，但是在斜腹杆上翼缘与上弦杆相交处的弦杆腹板上出现了一小块 应力在376.073~429.722N/mm2的区域，该区域腹板已进入屈服阶段。该区域对应的应变也比较大。而在设置加劲肋的情况下（加劲肋的厚度不管是50、30还是20mm），相交处的弦杆腹杆均未出现应力屈服区域，而只有局部点、线处因为几何拓扑关系较为复杂，单元形状不规则而导致的应力集中，超过屈服强度390N/mm2，节点整体处于弹性状态。故设置加劲肋对保证节点弹性还是很重要的。
Von-mises应变分布图
对于加劲肋厚度为50、30和20mm的节点有限元分析结果可以看出：三种厚度下的相交处的弦杆腹杆的应力分布相类似，没有大的差异，反而是厚度较薄时的应力峰值稍低点。
四、节点处理方法
由上面的有限元分析结果表明：漏焊的一组加劲肋对保证该节点在中震弹性下的性能目标很重要，因此还是建议补焊该组漏掉的加劲肋。
钢材力学性能会随温度的变化而变化。一般来说，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，同时屈服平台消失；在550℃时其强度下降90％；在550℃以上时基本丧失强度。一般焊接时焊点的局部温度在1350℃以上，因此钢构件在负荷状态下焊接需极为谨慎。
1）规范中的相关条文规定
现行规范条文中对钢结构负荷状态下焊接补强或加固的相关规定；
《建筑钢结构焊接技术规程》（下称《焊接规程》）第8.0.6条和8.0.7条：
8.0.6 负荷状态下进行补强与加固时，应符合下列规定：
1 卸除作用于结构上的活荷载；
2 根据加固时的实际荷载（包括必要的施工活载），对构件和连接进行承载力验算，尽量卸除结构上的荷载。当原有构件中实际有效截面的名义应力与其所用钢材的强度设计值之间的比值β≤0.8（对承受静态荷载或间接承受动态荷载的构件），或β≤0.4（承受动态荷载的构件）时方可进行补强或加固；
8.0.7 在负荷状态下用焊接方法补强或加固时，必须考虑焊接过程中因瞬时受热造成局部范围内钢材力学性能降低的因素。除结构应尽可能卸荷外，尚应根据具体情况采取下列安全措施：
1 做好临时支护；
2 采用合理的焊接工艺。
《钢结构加固技术规范》（下称《加固规范》）第3.1.10条和5.1.3~4条：
3.1.10 焊接钢结构加固时，原有构件或连接的实际名义应力值应小于0.55fy，且不得考虑加固构件的塑性变形发展；非焊接钢结构加固时，其实际名义应力值应小于0.7fy。当现有结构的名义应力值大于上述及本标准第5.1.4条规定时，则不得在负荷状态下进行加固。
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2）现阶段的结构内力水平
本工程现处于施工阶段，外立面幕墙尚未安装完毕，结构在不承受水平风荷载和地震作用的时候看看其问题节点涉及的杆件内力和应力水平。
节点附件构件的计算应力比详下图所示：
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伸臂桁架SBHJ1与外框柱节点附件构件计算应力比
由上图可知：补加加劲肋所在的上弦杆的正应力水平均小于0.22，剪应力水平均小于0.09，应力水平远小于《焊接规程》的0.8的设计强度和《加固规范》的0.55 fy，因此本工程可以在负荷状态下进行焊接。但需要采取相应的保证措施。
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伸臂桁架SBHJ2与外框柱节点附件构件计算应力比
3）负荷焊接时的保证措施
根据《焊接规程》的相关规定，在补焊加劲板时可采取以下相应措施：
（1）尽可能对加强层上下两层进行卸载（主要是减少施工荷载），减少加强层两层的受荷；
（2）在加强层的相邻下一层对应桁架下弦杆的位置设置一些临时支撑，分担一部分加强层承载的楼板自重荷载，减小加强层的内力水平；
（3）通过第二节的节点有限元分析结果可以看出：可以采取厚度较薄的加劲肋（如厚度可为30mm，甚至20mm），这样可以减小焊缝高度，降低焊接时输入的热量。
（4）采取合理的焊接工艺：要求采用分层分段施焊，控制每次焊缝高度为3mm；施焊顺序应尽可能使输入热量对构件的中和轴平衡，可从截面应力较小的腹板高度中部对称向两个方向分段焊接。焊前预热、焊后保温，采用低氢焊条；控制焊接时环境温度不低于10℃。
（5）加劲板焊接时首先应在上、中、下端进行焊接固定；
（6）应采取合理的焊接工艺，分层分段双面交错施焊，焊缝长度可为60mm，间隔60mm，每段间隙时间不应小于8分钟，焊缝分段，两侧施焊段应错开；
（7）分层焊接，每次焊缝高度可为3mm，可从腹板高度中部向上下方向分段焊接，采用低氢焊条，焊前预热，焊后保温；
（8）应加强检查邻近杆件的焊缝、板件的局部变形，杆件的变形以及支撑等情况，如有异常应会同设计协商解决；
（9）应加强建设单位、监理等单位的监督管理工作，严格要求焊接及其它施工质量，按照相关规范要求施工，确保安全；
（10）补焊加劲板后，应按规范进行全面检测，合格后方可拆除相关临时支撑。