鋼結(jié)構(gòu)加固方法研究進(jìn)展

鋼結(jié)構(gòu)加固方法研究進(jìn)展摘要：鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑，由于設(shè)計、施工和使用管理不當(dāng)，材料質(zhì)量不符合要求，使用功能改變，遭受災(zāi)害損壞以及耐久性不足等原因需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計。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)值模擬不斷開拓了鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方法，但是我國1996年批準(zhǔn)頒布使用的CECS77:96《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。對近些年國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的研究工作進(jìn)行總結(jié)，希望能為CECS77:96的修訂提供有價值的參考，同時可供鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計工作人員借鑒。關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);加固;試驗研究;引言鋼結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑，由于設(shè)計、施工、使用管理不當(dāng)，材料質(zhì)量不符合要求，使用功能改變，遭受災(zāi)害損壞以及耐久性不足等原因，需要對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計。實踐證明，對已有工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)采取加固措施是一條有效的途徑，國內(nèi)大批鋼結(jié)構(gòu)廠房的使用期限已接近結(jié)構(gòu)的設(shè)計周期，因此，近年來工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)在安全評定和加固技術(shù)方面，有了更多的工程實踐機會，這也將促進(jìn)相應(yīng)的專業(yè)性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和改進(jìn)。下面介紹幾種鋼結(jié)構(gòu)加固的方法。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。冶金、電力、石油化工、機械制造等行業(yè)的工業(yè)廠房具有復(fù)雜的工藝要求和設(shè)備布局，其鋼結(jié)構(gòu)的改擴建大部分是在不停產(chǎn)的條件下進(jìn)行的，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。寶鋼2號高爐維修采用高爐整體提升的施工方案，但是原有框架設(shè)計的承載力富余量不夠，因此需要對現(xiàn)有爐體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。由于冶煉工藝的限制，不允許增加框架梁的高度，只能選擇在框架梁上下翼緣外側(cè)補加鋼板，將工字形截面變?yōu)橄湫谓孛?，但是只加固單個構(gòu)件仍然不能滿足設(shè)計要求。例如，司金濤等在完成某醫(yī)技樓上部結(jié)構(gòu)改造后，對地基與基礎(chǔ)承載力和變形進(jìn)行驗算，得到可靠的分析結(jié)果。改變結(jié)構(gòu)計算圖形的一般加固方法：（1）對結(jié)構(gòu)可采用下列增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度的方法進(jìn)行加固：A、增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)并按空間結(jié)構(gòu)驗算；B、加設(shè)支撐增加結(jié)構(gòu)剛度，或者調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率等以提高結(jié)構(gòu)承載力和改善結(jié)構(gòu)動力特性；C、增設(shè)支撐或輔助桿件使結(jié)構(gòu)的長細(xì)比減少以提高其穩(wěn)定性；D、在排架結(jié)構(gòu)中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列負(fù)荷；E、在塔架等結(jié)構(gòu)中設(shè)置拉桿或適度張緊的拉索以加強結(jié)構(gòu)的剛度。（2）對受彎桿件可采用下列改變其截面內(nèi)力的方法進(jìn)行加固：A、改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉(zhuǎn)化為多個集中荷載；B、改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結(jié)；C、增加中間支座或?qū)⒑喼ЫY(jié)構(gòu)端部連接成為連續(xù)結(jié)構(gòu)；D、調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置；E、將結(jié)構(gòu)變?yōu)閾螚U式結(jié)構(gòu)；F、施加預(yù)應(yīng)力。對桁架可采取下列改變其桿件內(nèi)力的方法進(jìn)行加固：A、增設(shè)撐桿變桁架為撐桿式結(jié)構(gòu)；B、加設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿。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)件截面面積加大構(gòu)件剛度，實現(xiàn)鋼框架整體承載能力的提高。構(gòu)件截面加固方法主要有將工字形截面改為箱形截面，翼緣外側(cè)貼焊鋼板，外粘鋼板、碳纖維布加固等。采用加大截面的方法加固鋼構(gòu)件時所選截面形式應(yīng)有利于加固技術(shù)要求并考慮已有缺陷和損傷情況，以上方法并不是在任何鋼結(jié)構(gòu)加固中都可以運用，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。龔順風(fēng)等以某電廠脫硝改造為例，對加固后鋼柱建立了數(shù)值分析模型，模型考慮了初應(yīng)力、初始缺陷、鋼板和翼緣之間的耦合接觸，比較了負(fù)荷大小、鋼板厚度和不同長細(xì)比對加固后鋼柱非線性屈曲極限荷載的影響。結(jié)果表明，貼焊鋼板能顯著提高加固后鋼柱的非線性屈曲極限荷載;負(fù)荷越小，鋼板越厚，非線性屈曲極限荷載越大;對于細(xì)長柱，非線性屈曲極限荷載的增量較大，加固效果更加顯著。纖維增強復(fù)合材料(FRP)由于具有比強度和比剛度高、耐腐蝕及施工方便等優(yōu)點，在混凝土結(jié)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用，并作為一種新型高性能結(jié)構(gòu)材料受到工程界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外有關(guān)研究和工程單位開展了大量的研究和實踐應(yīng)用，近年來的研究表明，F(xiàn)RP加固鋼結(jié)構(gòu)也具有很好的效果。結(jié)果表明，由于應(yīng)力高度集中導(dǎo)致CFRP與鋼板之間脫落，CFRP剛度退化導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)失效;相對焊接加固鋼板，CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢，可以通過優(yōu)化節(jié)點設(shè)計降低接觸面之間的最大應(yīng)力，同時適當(dāng)厚度和彈性模量值的CFRP對于減少CFRP脫落十分關(guān)鍵。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(fù)雜的一個環(huán)節(jié)，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、肋板加固等。鋼結(jié)構(gòu)加固連接方法的選擇，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，并考慮結(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。鋼管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點的加固方法主要有主管上加套管、加內(nèi)隔板、主管加勁環(huán)加固及肋板加固等。在節(jié)點外側(cè)貼焊鋼板和在空心鋼管內(nèi)填充混凝土都能有效提高節(jié)點的極限承載力;在GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中，N型節(jié)點是按照K型節(jié)點設(shè)計，而根據(jù)試驗研究和數(shù)值模擬推導(dǎo)的節(jié)點極限承載力公式，考慮了上弦桿直徑的影響，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。4、貼焊鋼板加固構(gòu)件截面能有效改善結(jié)構(gòu)承載力，但是焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響值得重視，盡管規(guī)范對荷載作用下焊接加固的名義應(yīng)力做出了要求，焊接加固后構(gòu)件的應(yīng)力分布有待進(jìn)一步研究。5、板件加厚和設(shè)置加勁板被證實能夠有效防止鋼管相貫節(jié)點的脆性破壞，但是對加固后節(jié)點的屈曲性能、屈曲破壞等研究尚不夠深入。6、蓋板加固鋼框架節(jié)點取得了預(yù)期的效果，但是對于蓋板加固后鋼框架節(jié)點的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線的研究目前比較空缺，加固后節(jié)點的半剛性性能研究有待進(jìn)一步深入。7、碳纖維布加固。構(gòu)件截面和節(jié)點能夠有效避免焊接殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的損傷，能夠有效提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，但是當(dāng)前的研究僅局限于對板材和鋼管的研究，在負(fù)荷結(jié)構(gòu)的碳纖維加固領(lǐng)域，希望能夠取得更加有價值的試驗數(shù)據(jù)和理論研究成果。結(jié)論：本文對近些年國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的研究工作進(jìn)行總結(jié)，主要闡述了其在改變結(jié)構(gòu)計算圖形、構(gòu)件截面加固及連接節(jié)點加固3個方面的研究進(jìn)展。盡管加固方法眾多，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(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)加固研究已經(jīng)取得了比較大的成果，但是還需要開展更深入的研究，參考文獻(xiàn)CECS77:96鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].俞國音.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的安全評定和加固技術(shù)(上)J].工業(yè)建筑，1995,25(12):50-55.俞國音.工業(yè)廠房鋼結(jié)構(gòu)的安全評定和加固技術(shù)(下)J].工業(yè)建筑，1996，26(1):45-53.⑷蘇慶田，張其林，但澤義，等.寶鋼