鋼結構加固淺析

甄國梁 商曉彤

（山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590）

鋼結構加固淺析

甄國梁 商曉彤

（山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590）

鋼結構材料由于長時間工作造成結構外形損傷,或是設計施工過程中處理不當導致結構存在缺陷。對正常使用條件發(fā)生改變后的鋼結構工程進行檢查、驗算，結構的強度、剛度、穩(wěn)定性等不再滿足設計要求時就應對鋼結構進行加固。文章分析了鋼結構加固的各種原因、目的，鋼結構的加固原則，著重介紹了鋼結構加固的主要方法，并對各方法的優(yōu)缺點進行對比和總結。

鋼結構；建筑；加固

前言：近二十年以來，由于國家的強力支持和市場的旺盛需求，鋼結構因其輕質高強、安裝制造簡單、施工速度快、抗震性能好等特點在工業(yè)和民用建筑中得到了越來越廣泛的應用，但是由于結構設計、施工、使用管理不當，結構的強度、剛度或穩(wěn)定性不滿足使用要求，材料質量不符合國家標準、耐久性耐腐蝕性不足等原因，給鋼結構建筑帶來諸多隱患，這些隱患逐年積累，很可能對結構造成破壞，嚴重威脅人們的生命財產安全，這就需要對鋼結構進行加固改造。

1 鋼結構加固原因及目的

1.1 結構承受荷載的增加

鋼結構建筑物建設或使用過程中，有時不得不對建筑物進行加層或進行加強利用，這就大大增加了建筑物的上部荷載，極易引起地基基礎的沉降倒塌、梁柱彎曲變形甚至開裂等影響建筑物安全的問題。為保證鋼結構建筑的正常安全使用，防止額外增加的荷載帶來諸多隱患，需對建筑物進行必要的加固措施。

1.2 地震影響

自古以來地震都被認為是威脅建筑安全的重要因素，特別是近年來地震在全球范圍內頻繁發(fā)生，在最近的十五年中，僅我國一個國家就發(fā)生8級以上地震兩起，6.5級以上地震十余起。地震對建筑的危害極其嚴重，是不容忽視的，給社會和國家?guī)淼慕?jīng)濟損失和人員傷亡更是難以估量。故需要通過結構加固，加強建筑物的抗震能力，盡可能將地震的傷害程度降到最低。

1.3 外部環(huán)境及自然災害的損壞

鋼結構由于其耐久性、耐腐蝕性較差，所以受自然環(huán)境影響較大。長期與空氣接觸后必定存在大氣銹蝕，或者經(jīng)過雨雪的沖刷，鋼結構難免受到腐蝕。另有長期循環(huán)荷載作用導致結構整體承載能力和穩(wěn)定性降低。通過對鋼結構進行加固，可以減小這些負面作用對建筑的影響，從而保證結構各部件均衡受拉，使整體穩(wěn)定可靠。

1.4 改善結構本身的狀態(tài)

許多結構使用時往往不再遵循初始設計時的結構功能，這樣的改變使得原有的梁柱位置不得不發(fā)生變化，為了減小結構變形，抑制裂縫的產生，降低原有的結構應力，以滿足新功能的需求，需要進行結構的加固。

1.5 糾正設計或施工過程中的失誤

在實際生產中，建筑物的新建和改造是非常復雜的系統(tǒng)工程。在這個過程中失誤是避免不了的，結果就是造成鋼結構缺陷從而削弱截面，加之結構焊接時產生不均勻溫度場因其應力集中，又或者施工過程中偷工減料的現(xiàn)象時有發(fā)生，為了保證結構正常運行，需要對結構進行加固改造。

2 鋼結構的加固原則

進行鋼結構及其構件加固是一項較為復雜的工程。綜合施工方法簡單、經(jīng)濟合理、加固效果滿足預期目標等因素，將鋼結構加固原則總結為以下幾點：

1）由于是對正在使用過程中的鋼結構進行加固，所以加固過程應盡可能不妨礙結構的使用功能，對工業(yè)廠房做到不停產或者少停產，一旦停產，所造成的經(jīng)濟損失可達加固費用的幾倍甚至幾十倍。

2）若結構強度、剛度、穩(wěn)定性等鑒定結果顯示結構可靠性已經(jīng)不再滿足正常的使用要求，則必須對鋼結構工程進行加固。結構的加固內容和范圍要結合結構的鑒定結果和加固后的使用要求綜合考慮，且設計單位要與業(yè)主單位進行協(xié)商確定具體的加固方案。其中，結構加固的范圍可以是結構整體，也可以是特定的構件或結構某個區(qū)段、某個部位。加固后的結構安全等級取決于結構的重要性、結構破壞造成后果的嚴重性以及正常使用情況下的具體要求三個方面。

3）結構加固施工過程中是否可以不停產進行負荷施工主要由加固結構在加固施工過程中的應力應變狀態(tài)決定，若構件的應力應變狀態(tài)小于所使用鋼材設計強度的80%，且構件損壞變形不太明顯時，可采用負荷不停產的施工方法。

4）當用外部連接構件對結構進行加固時，應使用高強螺栓或采取焊接，且施工過程中要對高強螺栓的截面承載力、焊縫及焊接后結構承載力進行驗算。

5）鋼結構工程的加固設計不僅要滿足結構使用要求，更要緊密結合實際的施工方法，采取適當?shù)拇胧?，充分考慮施工現(xiàn)場的條件，一方面避免構件在加固施工過程中產生附加變形，另一方面又要保證新增的截面或構件與原結構可靠有效地連接，使兩者成為一個整體而共同工作。

6 ）由于特殊原因（冷脆、高溫、地基不均勻沉降等）造成的結構損壞，應根據(jù)損壞原因采取相應的處理措施，確定實施可行后方可進行加固施工。

7）值得注意的是，對于加固時可能出現(xiàn)傾斜、失穩(wěn)或倒塌的結構構件，在加固施工前要有相應的預防措施，防止施工過程中危險事故的發(fā)生。

3 鋼結構加固方法

傳統(tǒng)的鋼結構的加固方法主要有減輕結構荷載、改變結構傳力體系、加大原結構截面面積等，目前使用纖維復合材料對結構關鍵部位加固或修補裂縫逐漸顯示出強大的優(yōu)越性，也得到越來越廣泛的應用。

改變結構傳力體系適用于正在使用的鋼結構改擴建工程，應用廣泛，但這種加固方法對加固技術要求較高，技術手段要靈活多變，綜合考慮經(jīng)濟效益、施工難度、使用功能、工藝要求等方面。

加大原結構的截面面積是指采用與原結構相同的材料來擴大構件截面面積，這種加固方法最大的優(yōu)點是受力可靠且施工費用較低。但是施工時占用空間多，濕作業(yè)工作量大等明顯缺點限制了這種方法的使用范圍。

普通的鋼板焊接、螺栓連接或者鉚接，在一定程度上對結構起到了加固作用，但同時也會產生一些問題，最明顯的就是焊接時產生的殘余應力，對結構安全危害是很大的，一些新型的加固方式應運而生，其中效果最顯著的是使用纖維復合材料（FRP）對鋼結構關鍵部位進行加固或修補裂縫。

常用的FRP材料包括碳纖維復合材料（CFRP）、玻璃纖維復合材料（GFRP）、玄武巖纖維復合材料（BFRP）等，F(xiàn)RP材料質量小厚度小，且有較高的強度，同時延性良好，施工作業(yè)時占地面積小、施工速度快，一般不會影響結構的正常使用。

三種FRP材料中，CFRP綜合性能最好，對結構加固后承載力提升最大，缺點是其延性、高溫抗拉性能略差，且目前碳纖維材料主要依靠進口，造價過高；GFRP價格較低，但對提高結構承載力的效果并不明顯；BFRP是一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用的材料，采用 BFRP加固的結構，不僅承載力得到了提高，延性也有所增加，因此可大范圍推廣。

4 結論：

鋼結構的加固改造是一個極其復雜的過程，要結合結構特點、使用要求、實際施工條件等各方面，選擇合適的加固方法并制定加固方案，重點做好節(jié)點等關鍵部位的設計，保證加固過程中結構的安全。

[1]CECS77:96 鋼結構加固技術規(guī)范[S]

[2]鄭云,葉列平,岳清瑞. FRP加固鋼結構的研究進展[J].工業(yè)建筑,2005, 35(8): 20–25

[3]葉列平,馮鵬.FRP在工程結構中的應用與發(fā)展[J].土木工程學報,2006,39(3): 24–36

[4]王元清,楊文,石永久.加固應用栓焊并用連接受力性能有限元分析[J].鋼結構,2006,21(4):23–27

[5]王元清,孫鵬,施剛,等.鋼結構相貫管節(jié)點的加固設計與分析[J].空間結構, 2007,13(4):28–31

G322

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1007-6344（2016）07-0258-01

甄國梁 男 1992.02.20 碩士研究生 山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590

商曉彤 女 1990.12.11 碩士研究生 山東科技大學土木工程與建筑學院 山東青島 266590