鋼結(jié)構(gòu)新型加固技術(shù)研究分析

陳學雷申　磊韓俊莉鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院（450046）河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司（450006）河南中建工程設(shè)計咨詢有限公司（450000）

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鋼結(jié)構(gòu)新型加固技術(shù)研究分析

陳學雷1申磊2韓俊莉3
1鄭州市市政工程勘測設(shè)計研究院（450046）2河南省交通科學技術(shù)研究院有限公司（450006）3河南中建工程設(shè)計咨詢有限公司（450000）

摘要:近年來，國內(nèi)外在鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計領(lǐng)域開展了廣泛的研究,大量的試驗研究和數(shù)值模擬不斷創(chuàng)新鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計。但是我國1996年批準頒布使用的CECS 77:96《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》年限較久，并且僅僅局限于焊接加固等傳統(tǒng)方法。本文通過對國內(nèi)外的相關(guān)研究進行總結(jié)，對鋼結(jié)構(gòu)加固工程的新型加固技術(shù)方法進行了分析與研究。

關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)；FRP加固；連接節(jié)點加固；結(jié)構(gòu)計算圖形

0引言

鋼結(jié)構(gòu)的延展性能、塑性及韌性好，具有優(yōu)良的抗震和承受荷載能力，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全可靠性。正是基于這些優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑。但是，鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計、制造、施工過程中可能產(chǎn)生各種缺陷，會因超載、銹蝕、疲勞等原因引起損傷累積，從而影響結(jié)構(gòu)的安全，需要對鋼結(jié)構(gòu)進行加固設(shè)計[1]。如何采取有效措施對鋼結(jié)構(gòu)進行加固處理以達到其功能上的要求，是工程技術(shù)人員面臨的一個重要的問題。

1鋼結(jié)構(gòu)加固原則

鋼結(jié)構(gòu)加固工程是一項非常復雜的工程。鋼結(jié)構(gòu)加固應(yīng)從施工方法簡便、經(jīng)濟合理、不影響正常生產(chǎn)、加固效果能夠達到預(yù)期目標等方面來考慮。鋼結(jié)構(gòu)工程加固的一般原則[2]有以下幾條:

1）當鋼結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)果顯示可靠性不滿足正常使用要求時，必須對鋼結(jié)構(gòu)工程進行加固處理。

2）鋼結(jié)構(gòu)加固后的結(jié)構(gòu)安全等級應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)破壞造成后果的嚴重程度、鋼結(jié)構(gòu)的重要性和在正常使用情況下的具體要求而定。

3）在鋼結(jié)構(gòu)加固施工過程中一般來說要做到盡可能不停產(chǎn)或少停產(chǎn)，要達到該要求取決于要加固的鋼結(jié)構(gòu)在加固施工過程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，一般構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)小于鋼材設(shè)計強度的80%左右[3]。

4）鋼結(jié)構(gòu)工程的加固設(shè)計應(yīng)該考慮與實際施工方法緊密結(jié)合，并采取有效的措施，保證新增的截面、構(gòu)件和部件與原結(jié)構(gòu)的連接可靠有效,可以達到新增部件和原有結(jié)構(gòu)成為整體后能夠共同工作的目的。

5）對于由于冷脆、振動、高溫、腐蝕、地基不均勻沉降等外部和內(nèi)部原因造成的鋼結(jié)構(gòu)損壞，應(yīng)提出相應(yīng)處理措施后再進行加固施工。

6）在加固施工進行前，應(yīng)采取臨時應(yīng)對技術(shù)措施和安全措施，以防止加固時可能會出現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)傾斜、失穩(wěn)及倒塌等不安全因素，以免在加固過程中產(chǎn)生不安全的事故。

2鋼結(jié)構(gòu)新型加固方法

2.1改變結(jié)構(gòu)計算圖形

改變結(jié)構(gòu)計算圖形的實質(zhì)是改變結(jié)構(gòu)的傳力體系。鋼結(jié)構(gòu)的改擴建大部分是在不停產(chǎn)的條件下進行的，鋼結(jié)構(gòu)體系調(diào)整受到許多因素制約。因此，采取改變結(jié)構(gòu)計算圖形的加固改造項目具有各自不同的工程特點。

蘇慶田等[4-5]對寶鋼二號鍋爐爐體框架的加固，將37.2 m和45.4 m兩層最外側(cè)框架梁連接起來形成一個桁架，并在9.7 m框架梁集中荷載作用處增設(shè)柱子,使結(jié)構(gòu)計算圖形發(fā)生改變。經(jīng)過內(nèi)力計算和結(jié)構(gòu)驗算，整體爐體框架的各構(gòu)件均滿足強度和穩(wěn)定性要求。其加固前后的效果如圖1~2所示。

圖1寶鋼二號高爐加固前爐體框架結(jié)構(gòu)圖

圖2寶鋼二號高爐加固后爐體框架結(jié)構(gòu)圖

陳耀等[6]在某醫(yī)院大廳新建鋼結(jié)構(gòu)加固工程中采用的體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)。這種技術(shù)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，從而減少構(gòu)件的荷載效應(yīng)。這種技術(shù)是一種改良原結(jié)構(gòu)承載能力的加固技術(shù)，不僅改善了梁的承載能力，還改善了構(gòu)件的變形性能。由于其施工簡單、投資較少、在國內(nèi)外的一些工程實踐中，逐漸被推廣使用。

綜上所述，改變結(jié)構(gòu)計算圖形被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)改擴建工程中，其技術(shù)手段要結(jié)合各方因素綜合考慮。在加固設(shè)計過程中，除應(yīng)對被加固結(jié)構(gòu)承載力和正常使用極限狀態(tài)進行計算外，還應(yīng)注意其對相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力和使用功能的影響，對結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)進行必要的補充驗算，并采取切實可行的合理構(gòu)造措施。

2.2構(gòu)件截面加固

構(gòu)件截面加固的實質(zhì)是通過增加構(gòu)件截面面積來加大構(gòu)件剛度，實現(xiàn)鋼框架整體承載能力的提高。加固方式復雜多樣，因此了解不同加固方法的特點對加固設(shè)計方案的選取十分必要。

圖3框架梁加固

圖4梁間支承加固

圖5框架柱加固

FRP材料加固修復鋼結(jié)構(gòu)是將FRP板(或布)粘貼到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷部位,提高或改善其受力性能。FRP材料加固修復鋼結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式:

1）在梁的受拉面粘貼FRP片材，提高梁的抗彎承載力和抗彎剛度；

2）在梁的腹板粘貼FRP片材，提高梁的抗剪承載力；

3）FRP布環(huán)向纏繞鋼管柱，避免鋼管的局部失穩(wěn)，提高柱的抗壓承載能力。盧亦焱、Bocciarelli、鄧軍等[7-10]通過相關(guān)實驗研究了纖維復合材料對鋼結(jié)構(gòu)的加固效果，研究結(jié)果表明:復合材料對鋼結(jié)構(gòu)具有較好的加固效果，但是，膠黏劑材料是FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，開發(fā)高性能、低成本、適用于鋼結(jié)構(gòu)加固的膠黏劑材料是FRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)推廣的關(guān)鍵。

2.3連接節(jié)點加固

連接節(jié)點加固是鋼結(jié)構(gòu)改擴建中最復雜的一個環(huán)節(jié)，其技術(shù)措施主要有焊縫加固、粘鋼加固、碳纖維加固、套管加固和肋板加固等。鋼結(jié)構(gòu)加固連接點方法的選擇，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)需要加固的原因、目的、受力狀態(tài)及施工條件，考慮鋼結(jié)構(gòu)原有的連接方法確定。在同一受力部位連接的加固中，不宜采用剛度相差較大的加固措施。

Kim等[11]對蓋板加固和翼緣板加固鋼框架節(jié)點進行了試驗研究和非線性有限元分析。分析表明，蓋板加固和翼緣板加固能有效增加梁柱節(jié)點的承載力；在防止脆性破壞方面，蓋板加固作用效果更顯著；矩形板加固效果優(yōu)于梯形板，加固鋼板和梁翼緣之間應(yīng)該采用3面圍焊；由于需要采用大量角焊縫，并且梁剪力將通過板傳遞到柱，不推薦使用厚加固鋼板減小柱表面應(yīng)力。

相關(guān)研究人員對碳纖維布加固連接節(jié)點方面也開展了研究。晏麗等[12]通過碳纖維布加固鋼梁高強度螺栓拼接節(jié)點的靜載試驗，考察了純彎曲荷載條件下碳纖維布的加固效果和節(jié)點的最終破壞形態(tài)，并通過有限元分析了碳纖維布加固的螺栓節(jié)點對鋼梁的屈服荷載和剛度的影響。結(jié)果表明，鋼梁屈服后，碳纖維發(fā)揮作用，加強了螺栓連接的節(jié)點，有效降低了螺栓孔邊緣的應(yīng)力水平，提高了鋼梁的極限承載力和安全儲備。

自從美國北嶺地震以來,蓋板加固被廣泛研究。蓋板加固能防止節(jié)點的脆性破壞，蓋板的不同布置方式及形狀是節(jié)點加固的主要設(shè)計因素；相比于其他的加固方法，碳纖維布加固不僅能提高構(gòu)件的承載力，也避免了焊接殘余應(yīng)力對既有結(jié)構(gòu)的損傷。

3結(jié)論與展望

盡管鋼結(jié)構(gòu)加固方法眾多，但是在選擇具體的加固方案時，要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、工作環(huán)境、施工條件、經(jīng)濟效益等綜合考慮。雖然當前鋼結(jié)構(gòu)加固研究已經(jīng)取得了比較大的成果，但是還有很多不足之處，限制了這些加固方法的應(yīng)用，因此還需要開展更深入的針對性研究。

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