關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固方法的探討

張 莉

（吉林省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固方法的探討

張 莉

（吉林省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000）

伴隨著我國(guó)在國(guó)際舞臺(tái)地位的不斷提升，要求我們?nèi)嫱晟聘鱾€(gè)領(lǐng)域的綜合素質(zhì)，以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。土木工程為人們的生產(chǎn)和生活提供了重要的前提和保證，為了跟上時(shí)代發(fā)展的步伐，土木工程的相關(guān)設(shè)計(jì)需要引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)作為支撐，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為土木工程的重要環(huán)節(jié)，也在不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。本文就鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固方法進(jìn)行探討。

土木工程；鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；加固

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們對(duì)生活水平的質(zhì)量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足人們的需求，因此必須結(jié)合時(shí)代的發(fā)展方向，引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)手段和理念，改善我國(guó)現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，使其朝著更高的層次發(fā)展，更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的事業(yè)當(dāng)中。以下主要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加固方法的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行敘述。

1 鋼結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

在每項(xiàng)工作實(shí)施之前，需要根據(jù)工作的實(shí)際狀態(tài)制定合理有效的施工方案，這是任何一項(xiàng)工作正常運(yùn)行的前提和保證。鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)技術(shù)含量很高的工作，需要先進(jìn)的技術(shù)手段作為支持，沒(méi)有完整的施工方案，施工的進(jìn)行就是空談。鋼結(jié)構(gòu)首先要有安全性和穩(wěn)定性作為基礎(chǔ)，如果由于材料的合理性而影響鋼結(jié)構(gòu)的安全性，就會(huì)為之后的施工工作埋下安全隱患。因此，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中，負(fù)責(zé)操作的技術(shù)人員必須具備合格的專(zhuān)業(yè)技能，擁有認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，仔細(xì)考慮在選型過(guò)程中的每一個(gè)問(wèn)題，確保鋼結(jié)構(gòu)選型的準(zhǔn)確性。有了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，就可以很好地預(yù)防一些地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)，減少水土流失、泥石流、地震等損害，降低經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

在施工進(jìn)行中，要保持統(tǒng)籌兼顧部分和整體的理念，不因?yàn)槟骋粋€(gè)環(huán)節(jié)的不重要性而忽視該環(huán)節(jié)的工作。我們要根據(jù)局部力學(xué)的原理，做好局部的施工方案，進(jìn)而將所有局部聯(lián)系在一起，綜合考慮，確保施工工作的順暢進(jìn)行。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念必然會(huì)存在一定的借鑒價(jià)值，我們應(yīng)該總結(jié)前人的成功經(jīng)驗(yàn)，和現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，找到不足的地方，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，爭(zhēng)取呈現(xiàn)出最佳方案指導(dǎo)施工的進(jìn)行。

完善的施工方案不僅需要先進(jìn)的技術(shù)作為支持，嚴(yán)格的監(jiān)督管理體系也是不可缺少的。施工人員必須認(rèn)真按照管理規(guī)定規(guī)范自己的行為，以認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度去對(duì)待每項(xiàng)工作，不因自身的情緒或者操作問(wèn)題影響施工的進(jìn)程。相關(guān)管理部分需要根據(jù)工作人員的具體工作情況，有目的性對(duì)每位工作人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，使工作人員掌握扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)技能，擁有健康的心態(tài)，不斷提高工作效率，縮短施工的時(shí)間。監(jiān)督部門(mén)要長(zhǎng)期或者定期地對(duì)施工進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)督，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，減少安全事故的出現(xiàn)，不延誤施工進(jìn)程。

為了保證施工的快速進(jìn)行，必須做好經(jīng)濟(jì)成本計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，全面考慮每一個(gè)環(huán)節(jié)的花費(fèi)。首先，要明確整個(gè)施工過(guò)程中所用材料的種類(lèi)和數(shù)量，了解材料的性能和價(jià)格，做好材料經(jīng)濟(jì)預(yù)算。另外，施工方案中需要考慮到可能出現(xiàn)的安全問(wèn)題，針對(duì)這些潛在的問(wèn)題，給予合理的資金投入，避免由于資金短缺延誤施工時(shí)間。在滿足上述要求的前提下，結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的選型采取操作，這個(gè)過(guò)程中要求綜合考慮結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能和承載能力，全面考慮氣候和天氣變化對(duì)結(jié)構(gòu)布置的影響和損害，制定具有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)布置方案。

只有將鋼結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)的布置結(jié)合起來(lái)考慮，才能形成一個(gè)完整的施工理念，才能經(jīng)受各種因素的干擾，最終順利地完成鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作。

2 預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對(duì)構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。鋼梁可選擇槽鋼、工字鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/50～1/20之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時(shí)，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估，通常50<λ<150，簡(jiǎn)單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

3 鋼結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時(shí)考慮P-Δ、p-δ。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能。這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件，并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件。典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊(cè)之類(lèi)的工具書(shū)直接獲得內(nèi)力和變形，簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)通過(guò)手算進(jìn)行分析，復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)具有同等的重要性，因此必須給予充分的重視。鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括梁－柱節(jié)點(diǎn)、梁－梁節(jié)點(diǎn)、柱－柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)、柱帽節(jié)點(diǎn)等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保節(jié)點(diǎn)的安全可靠，并盡量采用簡(jiǎn)捷、穩(wěn)定、可靠的施工工藝，減少或避免現(xiàn)場(chǎng)的焊縫連接。鋼節(jié)點(diǎn)的形式按傳力特性大體可以分為三類(lèi)：鉸節(jié)點(diǎn)、半剛性節(jié)點(diǎn)、剛性節(jié)點(diǎn)。剛性、鉸接節(jié)點(diǎn)的受力性能、施工工藝研究的比較成熟，因此在工程中取得了廣泛的應(yīng)用。

5 鋼結(jié)構(gòu)加固方法

鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，亦可采用其他加固方法。

5.1 改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形

荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件等因素都會(huì)影響結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固性能，因此在改進(jìn)過(guò)程中可以針對(duì)以上方面進(jìn)行加固改進(jìn)，增加穩(wěn)定性。目前，對(duì)加固改造一般采用增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施。下面主要介紹改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的一般加固方法：

5.1.1 對(duì)結(jié)構(gòu)可采用增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度的方法進(jìn)行加固

增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)、加設(shè)支撐增加結(jié)構(gòu)剛度、增設(shè)支撐或輔助桿件靈活地調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及在塔架等結(jié)構(gòu)中設(shè)置拉桿或適度張緊的拉索都可以達(dá)到增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度的目的，我們?cè)趯?shí)際操作過(guò)程中可以綜合地考慮這些主要因素，做好結(jié)構(gòu)加固工作。

5.1.2 對(duì)受彎桿件可采用改變其截面內(nèi)力的方法進(jìn)行加固

改變荷載的分布，例如將一個(gè)集中荷載轉(zhuǎn)化為多個(gè)集中荷載；改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結(jié)；增加中間支座或?qū)⒑?jiǎn)支結(jié)構(gòu)端部連接成為連續(xù)結(jié)構(gòu)；調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置，將結(jié)構(gòu)變?yōu)閾螚U式結(jié)構(gòu)，施加預(yù)應(yīng)力。

在施工進(jìn)行中，比較常見(jiàn)對(duì)受彎桿件的加固是通過(guò)改變其截面內(nèi)力的方法實(shí)現(xiàn)的，合理地調(diào)整受彎桿件的截面內(nèi)力可以改變荷載的分布，利用剛結(jié)的操作方法改變端部的支撐能力，采用整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利用撐桿的獨(dú)特受力情況，及時(shí)調(diào)節(jié)受彎桿件的預(yù)應(yīng)力。

5.1.3 對(duì)桁架可采取改變其桿件內(nèi)力的方法進(jìn)行加固

我們知道撐桿式結(jié)構(gòu)可以增加結(jié)構(gòu)的承受能力，更好地將整體受體壓力進(jìn)行分散，達(dá)到桁架加固的目的。為了進(jìn)一步改變桁架桿件的內(nèi)力加設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿，使預(yù)應(yīng)力拉桿和撐桿式結(jié)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，共同完成桁架的加固任務(wù)。

5.2 加大構(gòu)件截面的加固

構(gòu)件截面由于長(zhǎng)期暴露在空氣中，容易受到氣候和天氣因素的影響，會(huì)大大降低其本身的使用性能，不利于更好地發(fā)揮作用。在施工過(guò)程中，我們首先要認(rèn)真找到在構(gòu)件截面中出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)加固技術(shù)方案的要求，分析已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題的嚴(yán)重性，制定及時(shí)的補(bǔ)救措施。在彌補(bǔ)已經(jīng)存在問(wèn)題和缺陷的同時(shí)，還需要使用先進(jìn)的儀器設(shè)施增加加固技術(shù)的使用性和適應(yīng)性，在加大構(gòu)件截面穩(wěn)定性的前提下，使構(gòu)件截面和其他結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，共同完成加固改進(jìn)。

5.3 連接的加固與加固件的連接

焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接方法是最常使用的鋼結(jié)構(gòu)連接方法，在連接加固的過(guò)程中需要根據(jù)不同種類(lèi)的連接方法，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的加固方案。綜合考慮減輕荷載、改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等技術(shù)要求，認(rèn)真分析需要連接加固部位的作用和實(shí)際受力能力，進(jìn)行加固件的連接，提高各結(jié)構(gòu)承受外力的能力，提高其抵抗外界環(huán)境和其他因素干擾的能力。

5.4 裂紋的修復(fù)與加固

鋼結(jié)構(gòu)可能受到材料的材質(zhì)、設(shè)計(jì)思路和施工人員的操作準(zhǔn)確性等因素的影響，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)展性或脆斷傾向性裂紋損傷的問(wèn)題。為了確保鋼結(jié)構(gòu)的安全性，必須對(duì)產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行修復(fù)和加固。在修復(fù)前，需要做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作，明確裂紋出現(xiàn)的部位、裂紋產(chǎn)生的原因以及裂紋是否有修復(fù)的可能性，在了解這些信息后，采取有效的修復(fù)操作，盡早完成修復(fù)的工作，減少安全隱患的出現(xiàn)。有些結(jié)構(gòu)如果裂紋的程度很?chē)?yán)重，修復(fù)的價(jià)值不大，我們需要對(duì)其進(jìn)行加固，確保其不會(huì)造成坍塌等事故。

6 結(jié)語(yǔ)

一個(gè)國(guó)家的快速穩(wěn)定發(fā)展離不開(kāi)各項(xiàng)事業(yè)的支持，土木工程作為國(guó)家重要的支柱產(chǎn)業(yè)，其作用不容忽視。鋼結(jié)構(gòu)是土木工程中非常重要的一個(gè)組成部分，為土木工程的順利進(jìn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的高要求，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的方向，及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)理念，使其更快地滿足人們的生產(chǎn)和生活需要，為人們的住房條件提供良好的保障?，F(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求在確保安全性的前提下，功能服務(wù)性更加完善，要兼顧美觀、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)等多方面的需要，進(jìn)而達(dá)到加固改進(jìn)的目的，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的和諧發(fā)展。

TU318

A

1671-3362（2013）07-0030-02