钢结构加固方法与连接的可靠性分析_图文

1、钢结构加固方法与连接的可靠性分析收稿日期:2010203211作者简介:赵凯(19792,男,结构工程师,深圳市建筑设计研究总院有限公司,广东深圳518000赵凯摘要:通过对钢结构的连接形式,如焊接连接、螺栓连接和混合连接加固进行论述,分析了各种连接的可靠性计算理论,得出了可靠性和加固的最优方法,对从事钢结构工程的技术人员具有一定的指导意义。关键词:钢结构,加固方法,可靠性,混合连接中图分类号:TU311.2文献标识码:A近几年建筑钢结构扩大应用范围的趋势明显。对从事钢结构工程技术人员的需求增加,对提高钢结构理论研究、技术开发以及设计制造、安装、检测的技术手段与工艺水平的要求也很迫切,国内建筑

2、钢结构行业面临发展新机遇。1 钢结构的连接方式焊接连接是现代钢结构中最主要的连接方式,它的优点是任何形状的结构都可用焊缝连接,构造简单 。焊接连接一般不需拼接材料,省钢省工,而且能实现自动化操作,生产效率较高。铆钉连接是早期钢结构采用的连接方式,现在基本被螺栓连接所替代。铆接需要先在构件上开孔,用加热的铆钉进行铆合,有时也可用常温的铆钉进行铆合,但需要较大的铆合力。铆钉连接由于费钢费工,现在很少采用。螺栓连接采用的螺栓有普通螺栓和高强度螺栓之分。普通螺栓的优点是装卸便利,不需特殊设备。普通螺栓分C 级螺栓和A ,B 级螺栓。高强度螺栓是用强度较高的钢材制作,安装时通过特制的扳手,以较大的扭矩上

3、紧螺帽,使螺杆产生很大的预应力。有限元模型如图2所示,外包钢管与核心混凝土之间没有相对滑动,故采用共用节点来进行模拟。本文有限元模拟结果与本文式(1的计算结果比较见图3。从图3可得出,尽管本文所得到的有限元结果与理论结果有一定的偏差,但是随着应力梯度系数的增加,局部临界屈曲应力cr 都呈现出减少的趋势。4结语本文对文献6中的应力梯度系数的取值范围进行了修改。并将式(1的计算结果与本文的有限元结果进行比较后得出:尽管本文所得到的有限元结果与理论结果有一定的偏差,但是随着应力梯度系数的增加,局部临界屈曲应力cr 都呈现出减少的趋势。参考文献:1Qing Quan Ling ,Brian Uy.Lo

4、cal buckling of steel plates inconcrete 2filled thin 2walled steel tubular beam 2columns J .Journal of Constructional Steel Research ,2007(63:3962405.2蔡健,孙刚.方形钢管约束下核心混凝土的本构关系box columns J .Journal of Structural Steel Research ,1998(47:47272.4何保康,杨晓冰,周天华.矩形钢管混凝土轴压柱局部屈曲性能的解析分析J .西安建筑科技大学学报,2002,34(3:1

5、24.5韩林海.钢管混凝土结构M .北京:科学出版社,2003.6曹远军,黄明奎.矩形钢管混凝土柱局部屈曲分析J .重庆交通大学学报(自然科学版,2010(5:95296.Finite element analysis on partial flexure of square steel pipe and concrete columnJIANG Chao 2huiAbstract :It mainly analyzes the variation situation of the partial critical buckling stress cr of square steel pipe

6、 and concrete column under the effect of non 2central load ,and a simulated analysis is done to it applying ANSYS finite element software ,concludes that there is certain devia 2tion between the result of finite element analysis and the calculation result ,but the partial critical flexural stress cr

7、 trend to decrease as the in 2crease of stress gradient coefficient .K ey w ords :square steel pipe and concrete column ,stress gradient coefficient ,critical flexural stress ,finite element392焊接的加固方法与计算理论2.1加固方法钢结构加固一般宜采用焊接连接的加固,由于焊接连接方法简单,设备简易,作业条件容易达到,施工进度快而被广泛采用。但是,对加固熟铁、锻铁块的结构就不能用焊接加固。焊接连接加固的方法

8、:可采用增加焊缝长度,提高焊缝有效厚度,或者两者同时增加的方法,当上述方法不能满足加固要求时,可采用附加连接板实施加固。附加连接板可用角焊缝与基本构件相连,也可用附加连接板与原节点板对接,但都需进行连接的受力分析,并保证连接能够承受各种可能的作用力,确保连接安全可靠。G BJ 68284建筑结构设计统一标准颁布以后,各本结构设计规范都据此进行了修订。但钢结构连接由于试验及统计资料不足仍按允许应力法进行设计。为了统一,将其折算为概率极限状态设计方法的设计表达式。因此有必要对钢结构连接按概率极限状态设计方法原理进行分析。2.2可靠性计算理论运用一次二阶矩法求可靠指标,结构设计中必须考虑的各基本因素

9、是非确定性的,称其为基本随机变量,记为x i 。结构极限状态方程为:g (x i =0,其中x i =x 1,x 2,x n T,引入标准化变量后得下式:=-x 3T G 3G G 。由目标值确定抗力分项系数R 。设R k 是由设计表达式求出的抗力的标准值,R 3k 是按概率极限状态设计预期可靠指标下求出的抗力。对角焊缝连接,当R k =R 3k 时,按设计表达式设计的可靠指标与预期的可靠指标相等。确定抗力分项系数时,就是要在给定荷载分项系数G ,Q 条件下使下面的误差平方和为最小。R=6jR kj 6jS 2j,按前述一次二阶矩法迭代计算求得R kj 可进一步求出抗力分项系数R 。焊缝的不定

10、性取决于焊缝强度、几何尺寸和计算模式的变异。角焊缝极限强度及其不定性f 。焊缝强度与焊条金属强度、焊缝质量以及荷载作用方向有关。按荷载作用方向可将角焊缝分为侧面角焊缝和正面角焊缝。根据试验资料,角焊缝极限强度如沈阳建筑大学实验所得:80个侧焊缝平均值410N/mm 2,变异系数0.111,正面角焊缝20个平均值558N/mm 2,变异系数0.093。根据TJ 17274钢结构设计规范,正面角焊缝的安全系数比侧面角焊缝的安全系数要高得多。在考虑角焊缝极限强度的统计参数时,焊缝质量对强度的影响不应忽视。试验条件、试件制作与现场条件是不同的。因此应考虑它们的影响。3螺栓连接的加固方法与计算方法理论3

11、.1加固方法在选用螺栓连接加固时,应优先采用高强度螺栓,因其施工工艺与一般的螺栓相近,但连接性能尤其是承受动荷载的性能明显优于普通螺栓连接,对直接承受动载的结构,规范规定必须采用摩擦型的高强度螺栓连接,因为其在合适的扭拧工具配合下,使其足以保持稳定的预拉力值,连接处通过摩擦面的传力方式的承载能力是稳定可靠的。连接接头位移刚度好,产生滑移后,螺栓进入承压状态,安全可靠。在操作时必须根据其工作特性,保证接触质量,孔洞附近钢材表面必须清理干净,螺栓直径应比原孔洞小1mm 3mm 。当计算承载力不足时,可采取扩孔措施,改用直径大一级的螺栓。当构件截面补强采用螺栓连接时,新旧两部分截面可以共同工作,进行

12、计算确定螺栓数量。由于增加的螺栓或扩孔后应该核净截面强度。加固方法甚多,究竟取用何种方法实施加固,应视加固件的工作条件而定,经过方案分析比较采用经济、合理、牢固为宜。荷载效应比值按常见值考虑,即取p =S GK /S Q K =0.25,0.5,1.0,2.0分别按一次。二阶矩法计算相应的可靠指标,计算结果与TJ 17274钢结构设计规范关于高强度螺栓连接的总体可靠度指标对比发现,螺的出入。3.3混合连接中的加固混合连接是指同一构件的连接使用了两种不同的连接方式,如螺栓和铆钉、焊缝与螺栓、焊缝与铆钉等。在混合连接中,应以焊缝承受全部作用力进行计算,而在焊缝高强度螺栓混合连接时,两种连接的承载力

13、比值在11.5范围内,二者的荷载变形情况基本接近,可以共同工作,若比值超出上述范围,荷载将由强的连接承担,另一连接起不到分担作用。当计算使用高强度螺栓承载力时,根据试验结果预拉力为焊前的90%95%,所以要乘以0.9的平均折减系数。4结语基于概率理论的极限状态设计方法,是目前世界大多数国家已经采用或趋于采用的设计方法。工程结构设计时的可靠度是工程设计预期目标的衡量尺度。在充分取得有关新信息基础上应该适当对有关规定作局部修订来顺应其客观发展规律,而且要恰当地把握工程结构可靠度的相对一致性,既要维护结构安全又要考虑其经济性。在抗力函数中采用局部多抗力系数或单系数多值方案。参考文献:1王日午.钢结构

14、变形极限状态的近似概率分析J .工业建筑,1981(9:50251.2戴国欣,夏正中.建筑钢结构适用性分析J .建筑结构学报,2000(3:66267.3汪延寿.风荷载作用下输电塔结构体系可靠度分析J .山西建筑,2009,35(16:53254.4戴国欣,夏正中,黄友明.钢结构规范安全度及相关问题评述J .建筑科学,1999(5:83284.5曾波,戴国欣,夏正中.高强度螺栓连接的可靠性评估J .工业建筑,1997(6:1012102.49第36卷第19期2010年7月山西建筑碳纤维布在砌体结构墙体加固中的应用研究收稿日期:2010203204作者简介:吕志明(19802,男,助理工程师,山

15、东丰汇集团有限公司,山东济南250200高兴胜(19792,男,助理工程师,山东恒力热电设计院有限公司,山东济南250100吕志明高兴胜摘要:对砌体结构墙体常出现的破坏形式进行了分析,说明了其加固的必要性及提出了常用的加固方法,通过对碳纤维布加固砌体结构墙体的应用研究,表明了碳纤维布对砌体结构墙体强度的提高是十分有效的。关键词:碳纤维布(CFS ,砌体墙体,加固中图分类号:TU746.3文献标识码:A据统计,目前我国已建现有建筑中绝大多数为砖混结构形式的建筑,现存珍贵文物保护建筑或构筑物大多数是砌体结构。随着我国经济的不断发展,结构的设计标准、抗震标准也在不断提高,许多已有建筑已不适应现行的安

16、全标准。历次震害表明,许多无筋砖房遭到了严重破坏甚至倒塌,损伤惨重。甚至一些新建筑也存在安全隐患,但实际情况并不允许将其全部推倒重建,而只能采取适当的措施,对其进行补强与加固处理,使这些建筑仍能满足人们对建筑安全性、适用性和耐久性的要求。同时,由于我国多数地区都处于地震区,因此在新建建筑不断增加的同时,对现有建筑的维护和补强加固也引起了工程界的广泛重视1。1常见的砌体破坏形式1.1多层砖房墙体的破坏主要是剪切破坏在水平地震力作用下,砌体结构中的墙体往往产生斜裂缝或交叉斜裂缝,从而造成结构的破坏,产生这种裂缝的原因是墙体的抗剪强度不足。从调查的资料来看,裂缝形式呈斜向或交叉的“X ”形裂缝,当墙

17、体的高宽比比较小时,墙体中段出现水平开裂,见图1 。1.2砌体结构的修复或加固1砌体结构在下列情况下进行修复或加固:1由于地基不均匀沉降墙体产生裂缝;2由于屋面热胀冷缩,墙体产生温度裂缝;3砌体墙、柱局部承载力不足;4由于房屋改建加层而使原砌体房屋承载力不足;5在地震设防区经抗震鉴定,房屋抗震验算或房屋抗震构造措施不满足要求;6地震发生房屋受损。2墙体加固目前,工程上对墙体抗震加固的方法主要有:1内设构造柱与圈梁抗震加固方法;2外加构造柱与钢拉杆抗震加固方法;3墙体内配筋抗震加固方法;4预应力砖墙抗震加固方法;5外贴面层抗震加固方法;6无粘结外包型钢加固法;7灌浆法和喷射修补法。3碳纤维布加固

18、技术碳纤维布(Carbon Fiber Sheet ,简称CFS 结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面,使两者共同工作,提高构件承载能力,由此达到对建筑物进行加固补强的目的。碳纤维布加固技术是纤维增强塑料应用技术中一种使用较普遍、性能较好的结构外部加固新技术。粘贴纤维材料加固技术的主要特点有2:1高强高效。纤维材料物理力学性能优异,在加固修补结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高结构的承载力,改善其受力性能,达到高强高效的目的。2施工工序简单。可用小型电动工具操作,可在传统技术无法施工的有限作业空间内施工。工期短,更能在持续交通的情况下操作。从而大大缩短

19、工程停工、停运的时间。3根据受力分析可以进行多层粘贴,其方向也可以灵活掌握,可裁剪,易于操作。4耐腐蚀性能及耐久性能好。纤维材料多具有优异的化学稳定性,使经过补强和维修的结构具有抗酸、碱、盐、紫外线侵蚀和防水能力。具有足够的适应气温变化的能力。易于外加防火涂层后以有效防火。可以大大增强结构对恶劣外部环境的适应能力,延长结构寿命。5耐疲劳性能好。6适用面广。纤维材料加固修补结构可以广泛应用于各种结构类型、各种结构形状、各种结构部位的加固修补,而且不改变结构形状及不影响结构的外观。尤其对一些大型土木工程等,采用传统的加固手段几乎无法实现,而采用纤维材料加固技术都能很好地解决。7纤维材料质轻而薄。几乎不增加结构自重和截面尺寸,对原结构几乎不会造成新的损伤