鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固

沈超波 許觀龍

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都對(duì)自身的要求都不斷的加強(qiáng)。由于目前鋼結(jié)構(gòu)使用廣泛，為土木工程的飛速發(fā)展提供了便利。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及加固方面的技術(shù)也在飛速發(fā)展，本文通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)理論以及失穩(wěn)原因分析，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)以及加固的改善方法。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；加固方法

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在很多鋼結(jié)構(gòu)建筑中，普遍存在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，這不僅會(huì)使建筑工程存在巨大的安全隱患，還會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，所以，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)在建筑工程中是非常重要的。而鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的問(wèn)題是由多方面原因造成的，比如設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能的了解不充分和缺乏對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程中穩(wěn)定性的專業(yè)認(rèn)識(shí)等。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)原則

（一）構(gòu)件與細(xì)部構(gòu)造穩(wěn)定性計(jì)算方法一致

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要使構(gòu)造設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)計(jì)算相匹配，以滿足構(gòu)件穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造的一致性。對(duì)傳遞彎矩和不傳遞彎矩的連接節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該分別給予足夠的剛度和柔度；對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也應(yīng)盡量減少桿件偏心等，這些僅僅是設(shè)計(jì)構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造。但是，當(dāng)涉及到穩(wěn)定性時(shí)，對(duì)細(xì)部構(gòu)造就會(huì)有其他要求，比如簡(jiǎn)支梁就抗彎強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求只是阻止位移和允許其在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，然而在處理梁整體的穩(wěn)定性時(shí)，支座除了要滿足上述要求外，還需要阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，允許梁在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自動(dòng)翹曲。

（二）兼顧整體和組成部分穩(wěn)定性的要求

目前，大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是以平面體系為出發(fā)點(diǎn)的，比如桁架設(shè)計(jì)和框架設(shè)計(jì)等。為了避免出現(xiàn)平面失穩(wěn)問(wèn)題，需要從鋼結(jié)構(gòu)的整體布局出發(fā)，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的支撐構(gòu)件，也就是說(shuō)要使平面構(gòu)件的結(jié)構(gòu)布置與平面穩(wěn)定計(jì)算保持一致。比如，在平面桁架組成的塔架中，要注意橫隔設(shè)置和桿件之間的穩(wěn)定性。

（三）計(jì)算方法與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖一致

在設(shè)計(jì)單層及多層的框架結(jié)構(gòu)時(shí)，并不需要框架穩(wěn)定性，而要計(jì)算框架柱的穩(wěn)定性。使用這種方法去計(jì)算框架柱穩(wěn)定性時(shí)用到的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)，應(yīng)該分析框架整體的穩(wěn)定性，這樣才可以使最終框架穩(wěn)定計(jì)算等效于柱穩(wěn)定計(jì)算。另外，如果計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖不一致，就要調(diào)整計(jì)算方法，從而保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的要求。

（四）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

4.1通過(guò)現(xiàn)行規(guī)范通用的軸心壓桿的穩(wěn)定計(jì)算法是臨界壓力求解法和折減系數(shù)法。

4.2穩(wěn)定計(jì)算的其它特點(diǎn)

在彈性穩(wěn)定計(jì)算中，除了需要考慮結(jié)構(gòu)的整體性外，還有一些其他特點(diǎn)需要引起重視。首先要做的就是二階分析，這種分析對(duì)柔性構(gòu)件尤為重要，這是因?yàn)槿嵝詷?gòu)件的大變形量對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生了不能忽視的影響，其次，普遍用于應(yīng)力問(wèn)題的迭加原。在彈性穩(wěn)定計(jì)算中不能應(yīng)用。這是因?yàn)榈釉淼膽?yīng)用應(yīng)以滿足以下條件為前提：材料服從虎克定律變成正比，結(jié)構(gòu)的變形很小。而彈性穩(wěn)定計(jì)算一般均不能滿足第結(jié)構(gòu)的變形很小這一條件，非彈性穩(wěn)定計(jì)算則兩個(gè)前提都不符合。了解鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一些基本概念，有助于我們?cè)谠O(shè)計(jì)中更好地處理穩(wěn)定方面的問(wèn)題，隨著新型鋼結(jié)構(gòu)體系的不斷發(fā)展，我們對(duì)穩(wěn)定問(wèn)題的研究要求也不斷地提高，之所以在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題，另一個(gè)重要原因就是我們對(duì)新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知之甚少，這是目前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究中存在的問(wèn)題。

二、鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的類型

（一）穩(wěn)定分岔失穩(wěn)

在一般情況下，根據(jù)分類指導(dǎo)的實(shí)踐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論分析，結(jié)構(gòu)如果達(dá)到臨界狀態(tài)的對(duì)應(yīng)，從無(wú)屈曲平衡形狀過(guò)渡到無(wú)限接近屈曲平衡的時(shí)間就是由直桿而出現(xiàn)微彎的階段。結(jié)構(gòu)在經(jīng)歷這一階段之后，變形的表現(xiàn)會(huì)逐漸增大，甚至有時(shí)要求荷載的數(shù)量也有所增加。在這種因素的影響下，軸向壓縮以及中間的表面壓縮平板下直桿都屬于這種情況。當(dāng)板屈曲強(qiáng)度變得比較明顯之后，在工程設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以對(duì)此加以利用。

（二）不穩(wěn)定分岔失穩(wěn)

當(dāng)屈曲臨界荷載后，結(jié)構(gòu)則只能在遠(yuǎn)低于的狀態(tài)下保持平衡配置。在軸向載荷和均勻外力的作用下，鋼結(jié)構(gòu)使用較多的格構(gòu)柱與圓柱殼非常相似。薄壁鋼管支柱在一定條件下也會(huì)表現(xiàn)出相似的特征。這種屈曲被稱為“干擾受限的屈曲”。

（三）極值點(diǎn)失穩(wěn)

極值點(diǎn)失穩(wěn)是指偏心受壓構(gòu)件施工鋼制成的穩(wěn)定性與塑性發(fā)展到一定程度的能力喪失，載荷失穩(wěn)發(fā)生時(shí)的實(shí)際價(jià)值就是最終的負(fù)荷，這種平衡狀態(tài)是漸進(jìn)地失穩(wěn)，差異有重要的分支與平衡。

三、影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的主要因素

盡管鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)目前仍舊處于不斷完善的階段，但在實(shí)際穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，由于部分設(shè)計(jì)者忽略了鋼結(jié)構(gòu)材料的缺陷，而僅僅是為了便于計(jì)算，在使用鋼結(jié)構(gòu)材料時(shí)，常作為彈性塑性材料進(jìn)行分析，對(duì)其材料自身存在的殘余應(yīng)力、初偏心以及彎曲等客觀存在的缺陷而被忽略，以至造成計(jì)算出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另外，多隨機(jī)性也是對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)有較大影響的主要因素之一。目前通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)隨機(jī)性影響因素的問(wèn)題，僅僅局限在結(jié)構(gòu)參數(shù)及隨機(jī)荷載的確定和輸入范圍內(nèi)。在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，不確定性的結(jié)構(gòu)參數(shù)也會(huì)使結(jié)構(gòu)響應(yīng)存在明顯的差異。所以，在實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)中，影響因素涉及物理幾何及統(tǒng)計(jì)的不確定性、模型的隨機(jī)性。如材料、截面積等都無(wú)法在計(jì)算中反映出。各種因素的不確定，造成理論與實(shí)踐存在較大的差異，因此，只有不斷全面對(duì)這些不穩(wěn)定因素進(jìn)行深入探討，才能進(jìn)一步完善對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。

四、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問(wèn)題和相應(yīng)的加固方法

（一）鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究中存在的問(wèn)題

梁柱單元理論是進(jìn)行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的重要工具，但是還無(wú)法確定梁柱單元是否能夠真實(shí)反映殼體結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。目前研究的主要問(wèn)題是如何真實(shí)反映彎矩的耦合效應(yīng)以及軸力。局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性是個(gè)值得探討的問(wèn)題，大跨度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，沒(méi)有反映相關(guān)的整體穩(wěn)定性以及局部穩(wěn)定性。

（二）鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法

要加固鋼結(jié)構(gòu)，可以減少負(fù)荷計(jì)算，增加構(gòu)件截面以及連接強(qiáng)度，避免出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)變化。如果實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)非常豐富的情況下可以采用其他方法：第一，對(duì)于受彎桿件而言，可以通過(guò)改變其截面的方法進(jìn)行加固：（1）改變荷載分布。比如，將一個(gè)集中的荷載轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)集中荷載；（2）改變端部的支承情況，比如將鉸接變?yōu)閯偨Y(jié)；（3）將簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)端部變成連續(xù)結(jié)構(gòu)或是增加中間支座；（4）合理調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置；（5）把結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為撐桿式結(jié)構(gòu)；（6）增加預(yù)應(yīng)力。

第二，對(duì)于桁架而言，可以采取以下兩種方法來(lái)改變桿件內(nèi)力，達(dá)到加固的效果。第一種方法是增加預(yù)應(yīng)力拉桿；第二種方法是將撐桿變桁架轉(zhuǎn)化為撐桿式結(jié)構(gòu)。第三，增強(qiáng)構(gòu)件截面的加固。對(duì)于加大截面加固鋼構(gòu)件而言，需要注意確保在選定的部分的過(guò)程中應(yīng)該有助于強(qiáng)化技術(shù)，同時(shí)需要考慮存在的缺陷以及損傷狀態(tài)。第四，在選擇鋼結(jié)構(gòu)連接方法、焊接、鋼與鋼鉚釘連接方法、螺栓與高強(qiáng)度螺栓連接方法時(shí)，需要考慮具體原因、目標(biāo)、結(jié)構(gòu)條件、施工條件、結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力條件以及原有連接方法結(jié)構(gòu)測(cè)定等因素。焊接接頭的基本用途，摩擦型高強(qiáng)度螺栓能夠加固鋼結(jié)構(gòu)，同時(shí)將高強(qiáng)螺栓摩擦混合也能夠加固有效措施針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)找出科學(xué)、合理的解決問(wèn)題的方法，盡量減少影響穩(wěn)定性的因素，這樣才能夠降低由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性而引發(fā)事故的概率。

（一）減小不確定性因素影響

不確定性因素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)造成的影響是難以避免的，但是，可以利用一些方法來(lái)減小這種影響，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的可靠性。比如，可以為鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能分析和設(shè)計(jì)，或者從設(shè)計(jì)的眾多實(shí)驗(yàn)中選擇一個(gè)較為合理的方案等。

（二）合理地運(yùn)用梁—柱理論

梁—柱理論是當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的理論，也是最重要的理論。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要實(shí)際考察鋼結(jié)構(gòu)工程的場(chǎng)地、材料、設(shè)計(jì)方案等相關(guān)事項(xiàng)，合理地運(yùn)用梁—柱理論分析鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件之間的穩(wěn)定性、整體結(jié)構(gòu)和組成部分之間的穩(wěn)定性等，達(dá)到提高鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的目的。

（三）完善預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系

預(yù)張拉結(jié)構(gòu)理論體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)是極為重要的。建立一套科學(xué)、完善、合理的預(yù)張拉結(jié)構(gòu)體系理論，根據(jù)這個(gè)理論體系分析預(yù)張拉結(jié)構(gòu)，最終得出準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣能夠確保達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的要求。

（四）重視局部與整體之間穩(wěn)定性的關(guān)系

避免采用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間安全系數(shù)的方法，加強(qiáng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性與整體穩(wěn)定性之間關(guān)系的重視程度。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)工程的實(shí)際情況，考察現(xiàn)場(chǎng)、材料等相關(guān)因素，科學(xué)地計(jì)算出一個(gè)較為可靠的安全系數(shù)，減小誤差，提高鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

結(jié)語(yǔ)

總之，在鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與加固改造中，方案的選擇是非常復(fù)雜的，要按照相關(guān)的要求嚴(yán)格進(jìn)行，并重點(diǎn)做好構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，保證安全。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就很有可能使得鋼結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性較差，影響整體建筑的質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員只有明確了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本新能才可能使其在加固過(guò)程中發(fā)揮其相應(yīng)的作用。另外由于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與加固設(shè)計(jì)因素眾多，只有深入了解并及時(shí)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問(wèn)題然后進(jìn)行解決，才能夠保證設(shè)計(jì)的完美以及整體鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

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