鋼結構加固新技術及其應用研究

【摘要】近年來，我國鋼結構的應用越來越廣泛。本文全面歸納了包括粘貼鋼板加固法、粘貼纖維增強復合材料加固法、組合加固法等在內的多種鋼結構加固新技術，并簡要闡述了其應用研究現(xiàn)狀。結合新版國家標準編制的需要，提出了各種新技術納入規(guī)范時的關鍵技術問題和可能的解決思路，為該技術標準編制工作提供參考。

【關鍵詞】鋼結構加固新技術；應用研究

近年來，隨著鋼鐵產(chǎn)量的提高、鋼材材性的不斷改進、鋼結構設計理論的發(fā)展進步和對于大跨、高層、超高層建筑需求的增加，鋼結構的發(fā)展和應用突飛猛進。隨著新能源技術的發(fā)展，分布式光伏發(fā)電特別是原有鋼結構大型屋面光伏發(fā)電項目的不斷涌現(xiàn)，鋼結構廠房的安全問題逐漸顯露出來，在積累了很多經(jīng)驗教訓的同時，必須對存在安全隱患的鋼結構進行加固，從而避免鋼結構事故的發(fā)生。

1、鋼結構加固新技術及其應用研究

1.1增大截面焊接加固法

加固方法的一種最基本的方法就是增大截面法。而其中通過焊接方式增大截面是鋼結構加固中最傳統(tǒng)也是最直接的選擇。尤其是在承載條件下，由于焊接加固施工的便捷性和可靠性，往往成為鋼結構加固的首選方案。CECS77∶96對焊接加固鋼結構構件的設計方法進行了較為詳細的說明。基于此，國標《鋼結構加固設計規(guī)范》編制組開展了承載條件下焊接加固鋼結構構件承載性能的研究工作，對軸心受壓構件、受彎構件、偏心受壓構件經(jīng)焊接加固后的力學性能進行了大量的試驗研究和數(shù)值分析，細致考察了焊接加固過程中構件的應力重分布、變形發(fā)展歷程以及加固后的殘余變形、破壞模式和承載能力。

1.2粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法又稱粘鋼加固技術，是在鋼結構表面用特制的建筑結構膠粘貼鋼板，依靠結構膠使之黏結形成整體共同工作，以提高結構承載力的一種加固方法，屬于一類特殊的增大截面加固法。該技術施工過程中不使用明火，不影響結構外形，所要求工作面小。

1.3粘貼纖維增強復合材料加固法

纖維增強復合材料（FRP）具有優(yōu)異的物理、力學性能，如比強度和比剛度高、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好、現(xiàn)場可操作性強、施工周期短、不損傷原結構等，目前已廣泛用于混凝土結構和砌體結構的加固之中，其中常用的FRP有三種，即碳纖維增強復合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復合材料（GFRP）和芳綸纖維增強復合材料（AFRP）。由于鋼結構的強度和剛度高，因此采用強度和彈性模量相對較高的CFRP較為合適，而且除對鋼管柱采用FRP布進行環(huán)向加固之外，宜采用板材對鋼構件進行加固。

1.4組合加固法

目前用于鋼結構的組合加固法主要包括兩種：內填混凝土加固法和外包混凝土加固法。內填混凝土加固法主要用于鋼管構件，通常宜采取措施卸除或大部分卸除作用在結構上的荷載，但是在許多情況下初始荷載難以卸除，此時考慮初應力水平對加固構件承載力的影響。采用外包混凝土加固法時，往往是由于鋼構件承受荷載的水平較高，其他增大截面法已不適用。由于原構件承受較高的荷載水平，外包混凝土相對于原鋼構件而言存在應力滯后現(xiàn)象，導致加固后構件與普通的勁性混凝土柱的受力性能存在差異，因此考慮高承載水平的加固后截面承載力設計方法需要重點研究。

1.5預應力加固法

預應力加固法可以對原有的鋼結構進行加固、改變原結構的剛度和內力的效果，適用于較大跨度的鋼結構加固，以及采用一般方法無法加固或加固效果不理想的較高應力、應變狀態(tài)下的大型鋼結構加固，同時還具有施工方便、經(jīng)濟可靠，預應力筋（束）可以單獨防腐甚至可以更換等特點。對于鋼結構構件，預應力加固目前主要應用于梁式結構（包括實腹式梁和桁架梁等）。加固后使得原梁式構件成為類張弦梁構件，有效地防止梁面外失穩(wěn)的發(fā)生。對于柱構件，同樣可以采用增設撐桿和拉索的方式進行加固，減小柱計算長度，提高剛度和穩(wěn)定性，但相比于梁構件而言，預應力構件在柱構件中的應用較少。

1.6連接和節(jié)點的加固

1.6.1栓焊并用連接節(jié)點加固

栓焊并用連接主要指的是在一個連接點中，摩擦型高強度螺栓連接和貼角焊縫并用連接，且承受同一剪切荷載作用。栓焊并用連接能很好地發(fā)揮螺栓連接和焊接兩種連接方式的優(yōu)點，在實際工程中能夠得到廣泛的應用。在采用螺栓連接設計不足或是使用荷載增大等情況下，可以采用栓焊并用連接進行節(jié)點加固補強。

1.6.2承受荷載下焊接加固梁柱節(jié)點與端板連接節(jié)點

在梁柱的節(jié)點方面，很多學者對此有自己的觀點。楊文等對焊接蓋板加固梁柱節(jié)點開展了一系列卓有成效的研究，建立了精細的有限元模型并進行了數(shù)值模擬，提出了蓋板加固梁柱節(jié)點的簡化力學模型，基于此給出了梁柱連接節(jié)點負載下蓋板加固設計方法。隨后，曹輝等開展了負載下焊接蓋板加固梁柱節(jié)點的試驗研究，為設計方法的驗證提供了數(shù)據(jù)支持。但是，楊文等提出的設計方法驗算流程較為復雜，不便于被工程設計人員直接使用，宜根據(jù)對加固后節(jié)點進行強度折減的思路簡化設計方法。

1.7含裂紋構件的安全評定

鋼結構在設計的過程中，一定不能帶裂紋進行工作。對于既有鋼結構，可能已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，這時是否應該對其加固值得研究，斷裂力學和損傷力學為含裂紋構件的安全評定提供了有效的解決途徑。對于特別重要或特殊的結構構件和連接節(jié)點可采用斷裂力學和損傷力學的方法對結構構件和連接節(jié)點進行抗脆斷評估。

結語：

綜上所述，建筑鋼結構的加固技術可推動我國橋梁的發(fā)展，同時還可提升我國建筑的抗壓能力。在建筑鋼結構的中，應充分了解鋼結構構件的穩(wěn)定性能，由于鋼結構的加固方案需因地制宜，因此在實際中應創(chuàng)新鋼結構穩(wěn)定性的技術，并深入了解建筑的需求，并將鋼結構加固的理論進行完善，提升鋼結構的穩(wěn)定性能。

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