中国特有的经济社会发展过程，决定了当下中国建筑业正经历新建到新建与加固改造并举的阶段，钢结构加固需求在工业建筑中已集中显现，并随钢结构发展向公共和民用建筑领域延伸.近年来大量的加固工程^{[1, 2, 3]}采用了负载下焊接加固技术，是钢结构加固方法中最具普遍运用价值的一种^[4].

文献[5, 6]最早完成了一批未加固、无负载焊接加固、低负载应力下焊接加固的轴压钢柱对比试验，结果表明焊接次序影响焊接残余应力，加固焊缝在翼缘端部对稳定承载力有利;文献[7]采用H型钢的翼缘外双板和翼缘内四板焊接两种加固形式进行轴压钢柱试验，观测到加固过程中原柱变短且负载降低，不同焊接过程影响焊接应力和承载力;文献[8]据受压角钢细长杆件并焊试验，获得理论侧偏量计算公式的经验系数;文献[9, 10]采用下翼缘焊板和H型变箱型两种方案，进行了不同跨度和初始负载下焊接加固钢梁试验，并验证有限元进行参数化分析得到影响规律;文献[11, 12]采用翼缘外对称贴焊钢板方案，按三档不同初始负载下加固和一个作对比的未加固构件，分别完成了轴压和受弯构件的焊接加固试验，并与规范计算方法进行对比分析.

目前负载下焊接加固研究几乎全部集中于轴压和受弯构件，本文在已有前期研究基础上，进行工字形压弯构件的负载下焊接加固试验，并将承载力结果与GB 50017—2003^[13]、CECS 77:96^[14]、YB 9257—96^[15]等规范的相应计算结果进行对比分析，为负载下焊接加固钢柱设计方法提供试验依据和建议.

为研究负载下焊接加固过程的热影响以及不同初始负载对焊接加固后压弯钢柱承载能力的影响.试验设计了底部固接顶部仅约束面外水平位移的加固压弯钢柱，固定面内偏心距100 mm，采用Q345B钢焊接工字形截面，见图 1.为避免发生局部失稳，同时考虑加固前后钢柱长细比在常用范围，高厚比和宽厚比均设计满足GB 50017—2003限值.试件加工采用火焰切割板，板件间均为角焊缝连接，制作过程采用优化焊接工艺及次序并进行加工后局部火焰矫正.试件实测尺寸见表 1.

图1(Figure 1)

图1 试件截面尺寸示意

试件命名BCS(beam-column strengthened)表示“加固压弯构件”，以加固时原构件初始负载等级进行区分，BCS0表示未负载加固，加固板在加工厂完成焊接，BCS1~BCS3分别为1~3级负载下加固，其加固板在试验负载下进行焊接，对应负载下焊接加固时钢柱初始轴压力P₀见表 1.

表1(Table 1)

表1 试件实测尺寸和初始负载 试件编号 P0/kN L/mm H/mm bf/mm tw/mm tf/mm bs/mm ts/mm 设计尺寸 — 3 000.0 256.0 180.0 10.0 8.000 150.0 6.000 BCS0 0 2 997.5 257.2 179.9 10.128 7.637 150.0 5.765 BCS1 180 2 998.8 256.2 179.4 10.110 7.623 149.7 5.774 BCS2 360 2 999.0 255.6 178.9 10.059 7.639 150.4 5.964 BCS3 590 3 001.0 255.5 178.7 10.061 7.625 150.5 5.768 注： L表示柱长度，取翼缘四边测量结果的平均值； H表示被加固柱截面高度，取左右两端共10个测量结果的平均值； bf和 bs分别为翼缘宽度和加固板宽度； tw、 tf和 ts分别为腹板、翼缘和加固板厚度，均取10个测量结果平均值.

表1 试件实测尺寸和初始负载

试验在清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室完成.试件在顶部和底部分别与柱头短梁和基座焊接，与短梁的连接在加工厂完成，试验时钢柱在焊接到基座前先放线找中，点焊定位后再焊接固定.短梁和基座均设计成足够刚性，短梁高350 mm，顶部环帽中心至试件重心间距离设计为既定偏心距100 mm，通过环帽实现与千斤顶连接和定位，同时利用千斤顶内置球铰实现转动，短梁下翼缘两侧以约束梁限制柱顶面外平动.整个试验装置用以实现底端固接、顶端面内自由面外夹支的边界条件，见图 2.滑车千斤顶通过限位装置限位，同时防止失稳破坏时千斤顶突然弹出.

图2(Figure 2)

图2 试验加载装置图(mm)

试验通过带滑车的2 500 kN液压千斤顶和反力架对钢柱进行单调静力加载.在正式进行荷载试验前先预加载，正式加载时，对于未负载加固钢柱BCS0一次单调加载至破坏，对于负载加固柱BCS1~BCS3，按照“初始加载、持载、加固施焊、冷却至室温、加载至破坏”的程序进行试验.

位移计布置见图 2(a)和(b)中DI-1~DI-12，其中压弯面内的L、L/2、L/3处各设置一位移计测量面内弯曲，压弯面外的L/2和L/3处东侧两翼缘尖端分别设置两个位移计以测量面外扭转.DI-8和DI-9测量钢柱竖向压缩变形，DI-10~DI-12监测支座变形，判断下部支座是否足够刚性.

分析预测构件发生失稳破坏的临界截面为柱高三分点至柱高中点之间，因而在各试件L/2和L/3处截面布置应变片，见图 3(a).对于在负载下焊接加固的试件BCS1~BCS3，仅保留腹板和翼缘尖端应变片，见图 3(b).此外，图 3(c)在各钢柱两端部截面的翼缘尖角布置4个应变片，以根据实测弹性阶段应变数据反算出荷载的初偏心.

图3(Figure 3)

图3 柱截面应变布置

加固施焊需按既定的焊接加固工艺和次序进行.加固板和翼缘的连接采用全长角焊缝，参考GB/T 8110—2008《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》^[16]和GB 50661—2011《钢结构焊接规范》^[17]考虑加固焊接减小热输入原则确定的优化焊接工艺参数见表 2.加固施焊的焊接次序按照CECS 77:96和YB 9257—96的规定，考虑压弯构件的受力特性并兼顾施工方便确定，主要遵循如下原则：1)有对称的成对焊缝时，应平行施焊；2)两侧有加固件的截面，应先施焊受拉侧的加固件,然后施焊受压侧的加固件；3)对一端嵌固的受压杆件，应从嵌固端向另一端施焊；若为受拉构件，应从另一端向嵌固端.

表2(Table 2)

表2 焊接工艺参数 焊接类型 焊机 电压/V 电流/A 焊丝 焊脚/mm CO2气体保护焊 OTC XD500S 22 110 ER50-6直径1.2 mm 4

表2 焊接工艺参数

焊前通过G型夹钳将加固板夹持至翼缘外侧并全长压紧，见图 4(a)，然后采用长20 mm、间距350 mm的间断焊缝点焊固定.点焊后拆除夹钳，分两侧面由加固板端向内，再分区段道次施焊所需连接焊缝，见图 5.先焊偏心受压远侧加固板，再焊受压近侧，每一侧均按照A-B-C-…-H-I的区段顺序，区段内再细分道次，对区段长度200 mm的A区段分8道焊，每道焊长50 mm；对区段长度均为350 mm的B~I在每区段各10道焊，每道焊长70 mm.现场施焊见图 4(b)，其中对试件BCS3采用红外线测温仪(-50~1 650 ℃)进行了焊接及冷却过程温度测试，获得温度场变化数据.

图4(Figure 4)

图4 加固板的固定及连接

图5(Figure 5)

图5 焊接加固施焊顺序

采用6、8和10 mm三种板厚，试件样坯切取及机加工符合GB/T 2975—1998《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》^[18]要求，并按照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》^[19]的测定方法和准确度进行拉伸试验.所得常温下力学性能平均值见表 3.表中E为弹性模量，f_y为屈服强度，f_u为材料极限抗拉强度，ε_st为屈服平台末端应变，ε_u为f_u对应的极限应变.

表3(Table 3)

表3 材性试验结果 钢板类型 E/103 MPa fy /MPa fu /MPa εst εu 6 mm板 218.0 407 548 0.017 0.154 8 mm板 208.9 334 475 0.012 0.157 10 mm板 218.0 353 495 0.017 0.140

表3 材性试验结果

本试验压弯构件在面内偏心受力条件下最终控制发生整体弯扭失稳破坏，需要准确测定加载前的面外几何初始缺陷，测量示意见图 6.面外初弯曲采用经纬仪测量^[20]，取柱长四分点处截面中心偏离柱两端截面中心连线距离(分别记为δ₁、δ₂和δ₃)的最大值作为钢柱几何初弯曲值δ₀,面外初偏心可由柱端应变数据反算得到,试件几何初始缺陷实测结果列于表 4.

图6(Figure 6)

图6 几何初始缺陷测量示意

表4(Table 4)

表4 构件几何初始缺陷 试件编号 初弯曲/mm 荷载偏心/mm ( e/L)/‰ δ1 δ2 δ3 δ0 e0b e0t BCS0 0.655 1.368 1.192 1.368 -6.299 -1.140 -0.78 BCS1 -0.560 -0.924 -0.068 -0.924 4.287 -6.125 -0.61 BCS2 -0.258 0.112 -0.021 -0.258 0.909 -0.802 -0.07 BCS3 -1.170 -0.908 -0.913 -1.170 6.786 -3.203 0.21 注： e0b和 e0t表示底端和顶端偏心值；试件面外几何初始缺陷 e，为荷载初偏心和几何初弯曲之和 e=δ0+( e0b+ e0b)/2， e/L为几何初弯曲系数；初弯曲在柱端截面中心连线以东时为正值，初偏心在柱端截面中心连线以西时为正值.

表4 构件几何初始缺陷

试验结果表明，试件最终均发生空间弯扭失稳破坏，平面内弯曲的同时柱三分点至柱中点之间发生截面扭转，典型破坏形态见图 7.失稳后承载力下降，面内面外位移发展迅速，其中试件BCS1~BCS3在下降段末期时受压近侧翼缘底端才出现局部凸曲，卸载后整体弯扭残余变形明显.

图7(Figure 7)

图7 典型失稳破坏形态(BCS2)

试验中对BCS1~BCS3整个负载焊接加固过程的各测点位移进行监测.从持载开始到冷却至常温时的各测点面内和面外位移时程曲线分别见图 8、9(三分点的位移变化规律与中点一致且量值相近，省略作图)，相应位移变化的特征值见表 5.图 9中面外水平位移取DI-4数据值.

图8(Figure 8)

图8 BCS1~BCS3面内水平位移焊接时程曲线

图9(Figure 9)

图9 BCS1~BCS3面外水平位移焊接时程曲线

表5(Table 5)

表5 钢柱焊接加固过程的位移变化 试件编号 P0/kN 柱顶面内/mm 中点面外/mm Δ0 Δ1 Δ2 Δ1- Δ0 Δ2- Δ0 Δ0′ Δ2′ Δ2′- Δ0′ BCS1 180 3.75 8.40 6.24 4.65 2.49 -0.14 0.08 0.22 BCS2 360 8.59 13.07 13.78 4.48 5.19 -0.48 -0.14 0.34 BCS3 590 22.78 28.20 32.70 5.42 9.92 -1.41 -2.14 -0.73 注： Δ0为焊接前面内位移， Δ1为焊接波峰对应面内位移， Δ2为焊接冷却后面内位移， Δ0′为焊接前面外位移， Δ2′为焊接后面外位移， Δ1- Δ0为面内焊接位移波峰幅值， Δ2- Δ0和 Δ2′- Δ0′分别为面内和面外焊接残余变形.

表5 钢柱焊接加固过程的位移变化

结合加固焊接次序分析图 8可知，每焊接一侧时，首先体现为焊接热温度应力的“热顶”现象(焊接侧膨胀)，随着焊接进行，焊接温度场影响材性发生变化，继而在负载下发生“软缩”和“冷缩”现象(焊接侧压缩).焊接偏压远侧时，“热顶”使得压弯柱顶位移前移，继而“软缩”和“冷缩”使得柱顶位移收回；焊接偏压近侧时，“热顶”使得柱顶位移收回，其后收缩使得柱顶位移前移.因此，焊接过程面内水平位移时程呈“一峰一谷”的总体波动变化.此外，分析曲线可得如下规律：1)波峰幅值大于波谷幅值；2)加固结束冷却后位移相对加固前总体增大，产生焊接残余变形；3)焊接冷却后残余变形增大程度与初始负载有关，初始负载越大，焊接残余变形越大.

值得指出的是，BCS1焊接位移波峰幅值是其焊接残余变形的1.87倍，即是说由焊接高温的热应力引起的位移波动影响超过负载下材料软化后及冷却过程的应力应变重分布引起的宏观残余变形影响，提醒关注焊接过程的热输入.而初始负载较大的BCS2和BCS3情况下，残余变形量将超过焊接过程波峰幅值.可见，焊接热输入大小和初始负载大小共同影响持载焊接的位移变化范围.图 9中面外位移时程曲线虽呈无一致规律的波动变化，但初始负载越大，焊接残余变形也越大.

试件的应变测点布置见图 3，腹板荷载-应变曲线见图 10.由图 10(a)可看出，试件一开始就呈现出压弯受力状态，腹板两侧对应位置应变几乎一致.此外，构件三分点的腹板应变比中点的更大，也体现了二阶效应.

图10(Figure 10)

图10 腹板荷载-应变曲线

图 11给出了柱三分点截面上沿腹板轴线各测点的应变分布随荷载变化情况，加载初期截面尚符合平截面假定，荷载增大到一定程度后该假定不再成立.

图11(Figure 11)

图11 BCS0沿腹板轴线的应变分布

特别地，对试件BCS1~BCS3进行了包括焊接加固全过程的应变监测.所采用BX120-3AA型应变片的适用温度为-10~+60 ℃，而实测温度场数据显示焊接过程翼缘板中线温度最高可达129.2 ℃，翼缘应变片出现不同程度的烧损，见图 12.而腹板应变片区域实测最高温度为59.3 ℃，可测得腹板的全过程荷载-应变曲线及焊接过程应变时程曲线，分别见图 10(b)及图 13，有如下规律：1)腹板应变时程总体呈“双峰”的波动变化；2)焊接加固冷却后腹板应变相对加固前均有总体增大趋势，发生截面应力应变重分布.

图12(Figure 12)

图12 翼缘应变片不同程度烧损

图13(Figure 13)

图13 BCS1~BCS3腹板应变焊接时程曲线

焊接过程使得腹板更多地参与受压贡献，承担更多的初始负载，增大偏压趋势.注意到第一块加固板焊接后，参与远侧翼缘协同受力，因而截面重心往远侧偏移，使得近侧承担受压更多，即焊接过程的应力应变重分布往受压近侧的腹板发展更多，加固焊接次序影响应力应变重分布开展方式.

焊接冷却后进行的静载试验获得了构件宏观的荷载-变形关系曲线，见图 14～16.从图 14(a)和(b)可看出，构件BCS0的竖向刚度远大于水平刚度；达极限承载力之前，面外几乎不产生位移，而面内位移随荷载增加而明显增大；达极限承载力后，构件面外位移迅速发展乃至超过面内位移，图 14(c)更明显地表明构件失稳后迅速的弯扭特征，这与构件的弯扭破坏形态相适应.

图14(Figure 14)

图14 BCS0荷载-位移及荷载-扭转角曲线

图15(Figure 15)

图15 BCS0~BCS3柱顶荷载-水平位移曲线

图16(Figure 16)

图16 BCS1~BCS3柱三分点荷载-水平位移曲线

图 15、16可看出，负载下焊接加固柱的宏观荷载-变形关系与非负载柱呈现同样的弯扭破坏特征，区别在于负载焊接加固产生了明显的平台段，即持载焊接的位移变化范围.由前文知，平台段宽度受焊接热输入及初始负载的综合影响.此外，BCS1~BCS3构件加固后刚度明显增大，与试件BCS0的初始刚度近似相等.表 5列出了试件的极限承载力结果及对应的柱顶水平和竖向变形值.

由表 6可知，BCS1相比BCS0承载力降低仅3.4%，而两者具有基本相当的几何初始缺陷，故BCS1的初始负载对极限承载力不产生明显的影响，可以忽略.BCS3比BCS0初始负载增大更多，初始几何缺陷稍小，而承载力却降低11%，表明其承载力受初始负载影响较大.由于BCS2初始几何缺陷明显小于其他试件，且由图 16(b)可看出其加固时面外焊接残余变形也趋于减小面外的挠曲，故其刚度较其他试件也略高，并影响其加固后极限承载力偏高.

表6(Table 6)

表6 试件极限承载力和柱顶变形结果 试件编号 $\frac{{{\sigma _0}}}{{{f_y}}}$ Pu/kN ( e/L)/‰ Δh/mm Δv/mm uh/mm uv/mm BCS0 0 1 273.1 -0.78 0 0 50.22 3.41 BCS1 0.22 1 229.2 -0.61 8.20 0.73 55.39 4.65 BCS2 0.44 1 298.0 -0.07 7.52 0.89 72.00 4.71 BCS3 0.72 1 132.6 0.21 11.24 1.42 85.27 5.63 注： σ0为初始负载下按压弯构件计算的名义应力； σ0/ fy为名义应力比； fy为材料名义屈服强度，取材性试验中腹板和翼缘结果的较大值； Δh和 Δv分别为柱顶荷载-水平位移曲线和荷载-竖向位移曲线的平台段宽； uh和 uv分别为极限承载力时对应的柱顶面内水平位移和竖向位移.

表6 试件极限承载力和柱顶变形结果

此外，初始负载越大，焊接加固后达极限承载力时对应的竖向位移和面内水平位移也越大.

对各试件的整体稳定极限承载力按照GB 50017—2003、CECS77:96和YB 9257—96相应的弯矩作用平面外稳定性的计算规定进行理论值计算，并与试验分析的结果进行对比，见表 7.规范计算时，稳定系数计算采用的钢材屈服强度是由材性试验得到的材料名义屈服强度f_y=353 N/mm².

表7(Table 7)

表7 试验值与理论值比较 试件编号 P0/kN Pu,exp/kN Pu,gb/kN Pu,gb/ Pu,exp Pu,yb/kN Pu,yb/ Pu,exp Pu,cecs/kN Pu,cecs/ Pu,exp BCS0 0 1 273.1 1 063.3 0.84 905.5 0.71 961.1 0.75 BCS1 180 1 229.2 1 056.8 0.86 899.9 0.73 955.1 0.78 BCS2 360 1 298.0 1 065.0 0.82 906.9 0.70 963.3 0.74 BCS3 590 1 132.6 1 052.8 0.93 896.5 0.79 951.7 0.84 注： Pu,gb指不考虑负载加固折减系数计算得到的极限承载力，直接按GB 50017—2003计算，而 Pu,cecs和 Pu,yb则考虑了负载下加固的影响，分别按CECS 77:96和YB 9257—96规定计算.

表7 试验值与理论值比较

由规范计算结果和试验结果对比可知，现有规范均未反映出不同初始负载对构件加固后承载力的影响.规范计算结果均明显低于实际承载力，且呈“P_u,gb>P_u,cecs>P_u,yb”，YB 9257—96计算值相对保守，主要原因是YB 9257—96规定取加固板和原构件屈服强度两者的小值进行计算；而当初始负载较大(如BCS3)时，按GB 50017—2003的理论计算值更接近实际承载力.试件BCS2的初始几何缺陷非常小，其最终承载力比非负载下加固柱略偏高，也因而比规范计算值高出较多.

1)4个压弯钢柱均呈现压弯受力状态，最终都发生明显的空间弯扭失稳破坏，卸载后试件整体弯扭残余变形明显.

2)加固焊接次序决定焊接残余变形的发展机理，焊接冷却后构件竖向位移、水平面内位移、水平面外位移等加固焊接残余变形的增大程度与初始负载有关，初始负载越大，焊接残余变形越大.焊接热输入大小和初始负载大小共同影响持载焊接的位移范围，即荷载-位移曲线的焊接平台段宽.

3)负载下焊接加固试件在焊接加固过程产生应力应变重分布现象，加固后腹板应变较加固前明显增大，且受压近侧的腹板受压增大更多，加固焊接次序影响应力应变重分布开展方式.

4)初始负载和初始几何缺陷影响负载下压弯构件的承载力，初应力比为0.22时初始负载对承载力的影响可以忽略，而初始应力比为0.72时初始负载影响明显.

5)现有规范均未反映初始负载对压弯构件加固后承载力的影响，按YB 9257—96的规范结果较为保守.