鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及加固方法研究

張博 于毅 夏宗發(fā) 郭凱

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)工程是現(xiàn)代建筑工程中較普通的結(jié)構(gòu)形式之一，具有穩(wěn)定性和抗震性能好等特點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的突出問題之一就是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象將直接影響到工程的質(zhì)量和安全。在現(xiàn)實(shí)生活中，很多工程事故案例都是因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷所致。為了避免類似事故的發(fā)生，該文從鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的基本原則、鋼結(jié)構(gòu)加固的方法等三個(gè)方面詳細(xì)分析了有關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及原則，并提出了有針對(duì)性的對(duì)策和建議。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性 設(shè)計(jì)原則 加固方法

中圖分類號(hào)：S61 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（a）-0063-02

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的突出問題之一就是結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，無論何種類型的鋼結(jié)構(gòu)，都應(yīng)當(dāng)考慮其失穩(wěn)問題。如果鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)設(shè)計(jì)不當(dāng)，將會(huì)存在事故隱患，造成不應(yīng)有的損失[1]。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致的工程事故案例在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中已發(fā)生多起。例如，2010年1月3日發(fā)生的昆明新機(jī)場(chǎng)38 m鋼結(jié)構(gòu)橋跨垮塌事件，造成7人死亡、8人重傷、26人輕傷，發(fā)生事故的原因是橋下鋼結(jié)構(gòu)支撐體系突然失穩(wěn)，8 m高的橋面隨即垮塌下來。究其造成事故的原因通常是由于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)不足，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，因此，要從根本上避免類似事故的發(fā)生，鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

1 鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的分類

1. 1 具有平衡分岔的穩(wěn)定問題

鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件在完好的情況下，當(dāng)端部受到荷載壓力時(shí)，所承受的壓力小于等于某一限值時(shí)，構(gòu)件保持平直，構(gòu)件截面承受著均勻的壓應(yīng)力，即使沿軸線所產(chǎn)生的狀況也只是壓縮變形。相反，如果當(dāng)端部受到荷載壓力時(shí)，所承受的壓力大于限值時(shí)，構(gòu)件會(huì)突然發(fā)生彎曲，導(dǎo)致原有的軸心受壓平衡形式發(fā)生改變，從而出現(xiàn)分支點(diǎn)失穩(wěn)，即平衡分岔的穩(wěn)定問題[2]。完善的（即無缺陷、挺直的）軸心受壓構(gòu)件和完善的在中面內(nèi)受壓的平板的失穩(wěn)都屬于這一類失穩(wěn)問題。從設(shè)計(jì)的角度看，這類鋼結(jié)構(gòu)具有承擔(dān)大于屈曲荷載的承載能力，即具有屈曲后強(qiáng)度，因此，這種屈曲破壞是有預(yù)兆的延性破壞。

1.2 無平衡分岔的穩(wěn)定問題

無平衡分岔的穩(wěn)定問題，即極值點(diǎn)失穩(wěn)，這種現(xiàn)象比較普遍，常常出現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。該失穩(wěn)主要是由于鋼材做成的偏心受壓構(gòu)件，在塑性發(fā)展到一定程度時(shí)喪失穩(wěn)定的能力，從而導(dǎo)致平衡形式發(fā)生改變出現(xiàn)失穩(wěn)。在通常的實(shí)際操作中會(huì)把極值點(diǎn)失穩(wěn)轉(zhuǎn)換為分支點(diǎn)失穩(wěn)來進(jìn)行處理。

1. 3 躍越失穩(wěn)問題

這類失穩(wěn)不同于以上兩種類型，其既無極值點(diǎn)，又無平衡分岔點(diǎn)，它是在喪失穩(wěn)定平衡之后跳躍到另一個(gè)穩(wěn)定平衡狀態(tài)。例如，扁殼、坦拱、空間桁架和扁平的網(wǎng)殼有可能發(fā)生跳躍失穩(wěn)。但在實(shí)際工程中是不允許出現(xiàn)這樣大的變形，所以應(yīng)該以臨界荷載作為承載的極限。從設(shè)計(jì)的角度看，這此類結(jié)構(gòu)的跨高比越大，臨界荷載越小。初始幾何缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的臨界荷載影響不大。

由此可見，區(qū)分結(jié)構(gòu)失穩(wěn)類型的性質(zhì)十分重要，這樣才能正確估量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定承載力。設(shè)計(jì)為軸心受壓的構(gòu)件，實(shí)際上總不可避免地會(huì)有一點(diǎn)初彎曲，荷載的作用點(diǎn)也難免有偏心。因此，要真正掌握這種構(gòu)件的性能，了解缺陷對(duì)它的影響，其他構(gòu)件也都有缺陷影響問題[3]。

2 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的基本原則

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮建筑的實(shí)際情況以及建筑使用要求，最大限度的確保所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)可以很好的符合標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)在滿足穩(wěn)定性和強(qiáng)度的前提下，最大可能的降低鋼材使用量，減少鋼結(jié)構(gòu)的自重，以便可以在出現(xiàn)較大負(fù)荷的情況下，使得鋼結(jié)構(gòu)具備良好的承載能力。在施工過程中，還應(yīng)當(dāng)減少不必要的安裝實(shí)踐和制造實(shí)踐，以便可以更好的運(yùn)輸和維護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，使總成本能夠有效降低。除此之外，所設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)盡可能地具備一定的審美價(jià)值[4]。

3 加固鋼結(jié)構(gòu)的方法

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)受到施工過程中的諸多外界因素影響，因此，在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)中，需要借助一些必要的加固方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，確保其整體穩(wěn)定性可以滿足建筑使用要求，這對(duì)提高建筑物的整體性能具有重要意義[5]。為了提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)質(zhì)量使其滿足建筑使用要求。目前，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加固的主要方法有：對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形進(jìn)行改變加固、減輕荷載、連接點(diǎn)加固、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加固等。

3.1 改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固

改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固方法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)和邊界條件等[6]，通過合理增設(shè)附加桿件和支撐來對(duì)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，同時(shí)還要考慮空間協(xié)同因素的應(yīng)用，這樣就可以使鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到進(jìn)一步強(qiáng)化。

例如，某醫(yī)院的鋼結(jié)構(gòu)大廳存在構(gòu)件截面選擇不當(dāng)?shù)葐栴}，陳耀等[7]針對(duì)上述問題重新對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和位移驗(yàn)算。依據(jù)驗(yàn)算的結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)獲得的材料及結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)對(duì)不滿足要求的構(gòu)件進(jìn)行加固，加固后的鋼結(jié)構(gòu)大廳，鋼梁的撓度和承載能力均可滿足規(guī)范及正常使用的要求。該加固方法是將預(yù)應(yīng)力筋布置在待加固構(gòu)件的截面之外，通過改變結(jié)構(gòu)的傳力路徑減少構(gòu)件的荷載效應(yīng)，同時(shí)改良原結(jié)構(gòu)承載力的一種加固技術(shù)，不僅改善了梁的承載能力，還改善了構(gòu)件的變形性能。

3.2 減輕及改變荷載的分布

通過受彎桿件荷載的改變，把單獨(dú)的集中端部支撐荷載承受轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€(gè)的端部支撐的荷載承受并進(jìn)行相應(yīng)的加固。在選取截面進(jìn)行加固時(shí)，一定要注意到截面的形式，其須具有實(shí)際的加固缺陷與損傷滿足的加固要求，這樣才能確保鋼結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定[8]，這樣也是改善鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的有效方法。

3.3 連接點(diǎn)加固

鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接是鋼結(jié)構(gòu)整體作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)和施工過程中，要做到“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)連接”。鋼結(jié)構(gòu)連接加固的方法，即采用焊縫、鉚釘、普通螺栓或高強(qiáng)度螺栓等方式對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接加固。在實(shí)際工程中應(yīng)首先依據(jù)結(jié)構(gòu)加固的原因和目的、鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況和構(gòu)造等進(jìn)行分析后，再確定固件連接方式。一般情況下，采用焊縫連接的過程中，注意要選用已被確認(rèn)的焊接工藝與連接材料進(jìn)行焊接加固，以確保鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。王元清等[9]根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)辦公樓工程鋼管桁架T型節(jié)點(diǎn)和K型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了全面的復(fù)核計(jì)算，對(duì)強(qiáng)度不滿足要求的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加固分析，其中K型節(jié)點(diǎn)選擇肋板加固，T型節(jié)點(diǎn)選擇套管加固，并通過有限元軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)的加固后強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果證實(shí)了加固后節(jié)點(diǎn)能滿足安全要求。

3.4 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（ Fiber Reinforced Polymer， 簡(jiǎn)稱FRP） 是由增強(qiáng)纖維材料與基體材料經(jīng)過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同，常見的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可以分為：玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP），碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）以及芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）等類型。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，加固后原結(jié)構(gòu)的自重和尺寸基本不變；（2）復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕和抗疲勞性能；（3）柔性的復(fù)合材料能夠用于任意封閉或形狀復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)加固。密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患；（4）成本低、效率高、易于操作，在狹小空間亦可施工，適于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)；（5）適用范圍廣，由于施工過程中不會(huì)出現(xiàn)明火，可以用于各種特殊環(huán)境[10]。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)是將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粘貼到受損鋼結(jié)構(gòu)的表面，使一部分荷載傳遞到纖維增強(qiáng)復(fù)合材料上，降低受損構(gòu)件的應(yīng)力水平，從而達(dá)到加固鋼結(jié)構(gòu)的效果，延長(zhǎng)受損鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用壽命[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

從已經(jīng)發(fā)生的諸多工程案例中已經(jīng)證實(shí)鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞是比較突然的，屈曲一旦發(fā)生，結(jié)構(gòu)隨即崩潰，十分危險(xiǎn)。因而從事鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)特別重視鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，了解引起鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的因素，掌握正確的計(jì)算方法，豐富穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，從而避免工程中的失穩(wěn)破壞。在鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究領(lǐng)域中，還有諸多尚未解決的問題，總之，只有認(rèn)真對(duì)待鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題，才會(huì)使得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法不斷地完善。

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