钢结构加固方法研究进展

钢结构加固方法研究进展摘要：钢结构已经广泛应用于工业和民用建筑，由于设计、施工和使用管理不当，材料质量不符合要求，使用功能改变，遭受灾害损坏以及耐久性不足等原因需要对钢结构进行加固设计。近年来，国内外在钢结构加固设计领域开展了广泛的研究，大量的试验研究和数值模拟不断开拓了钢结构加固设计方法，但是我国1996年批准颁布使用的CECS77:96《钢结构加固技术规范》年限较久，并且仅仅局限于焊接加固等传统方法。对近些年国内外钢结构加固领域的研究工作进行总结，希望能为CECS77:96的修订提供有价值的参考，同时可供钢结构加固设计工作人员借鉴。关键词：钢结构;加固;试验研究;引言钢结构已广泛应用于工业和民用建筑，由于设计、施工、使用管理不当，材料质量不符合要求，使用功能改变，遭受灾害损坏以及耐久性不足等原因，需要对钢结构进行加固设计。实践证明，对已有工业厂房结构采取加固措施是一条有效的途径，国内大批钢结构厂房的使用期限已接近结构的设计周期，因此，近年来工业厂房钢结构在安全评定和加固技术方面，有了更多的工程实践机会，这也将促进相应的专业性标准规范的制定和改进。下面介绍几种钢结构加固的方法。1、改变结构计算图形改变结构计算图形的实质是改变结构的传力体系。冶金、电力、石油化工、机械制造等行业的工业厂房具有复杂的工艺要求和设备布局，其钢结构的改扩建大部分是在不停产的条件下进行的，结构体系调整受到许多因素制约，因此，采取改变结构计算图形的加固改造项目具有各自不同的工程特点。宝钢2号高炉维修采用高炉整体提升的施工方案，但是原有框架设计的承载力富余量不够，因此需要对现有炉体框架结构进行加固。由于冶炼工艺的限制，不允许增加框架梁的高度，只能选择在框架梁上下翼缘外侧补加钢板，将工字形截面变为箱形截面，但是只加固单个构件仍然不能满足设计要求。例如，司金涛等在完成某医技楼上部结构改造后，对地基与基础承载力和变形进行验算，得到可靠的分析结果。改变结构计算图形的一般加固方法：（1）对结构可采用下列增加结构或构件的刚度的方法进行加固：A、增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；B、加设支撑增加结构刚度，或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；C、增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性；D、在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列负荷；E、在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。（2）对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法进行加固：A、改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载；B、改变端部支承情况，例如变铰接为刚结；C、增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构；D、调整连续结构的支座位置；E、将结构变为撑杆式结构；F、施加预应力。对桁架可采取下列改变其杆件内力的方法进行加固：A、增设撑杆变桁架为撑杆式结构；B、加设预应力拉杆。2、构件截面加固构件截面加固的实质是通过增加构件截面面积加大构件刚度，实现钢框架整体承载能力的提高。构件截面加固方法主要有将工字形截面改为箱形截面，翼缘外侧贴焊钢板，外粘钢板、碳纤维布加固等。采用加大截面的方法加固钢构件时所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑已有缺陷和损伤情况，以上方法并不是在任何钢结构加固中都可以运用，因此了解不同加固方法的特点对加固设计方案的选取十分必要。龚顺风等以某电厂脱硝改造为例，对加固后钢柱建立了数值分析模型，模型考虑了初应力、初始缺陷、钢板和翼缘之间的耦合接触，比较了负荷大小、钢板厚度和不同长细比对加固后钢柱非线性屈曲极限荷载的影响。结果表明，贴焊钢板能显著提高加固后钢柱的非线性屈曲极限荷载;负荷越小，钢板越厚，非线性屈曲极限荷载越大;对于细长柱，非线性屈曲极限荷载的增量较大，加固效果更加显著。纤维增强复合材料(FRP)由于具有比强度和比刚度高、耐腐蚀及施工方便等优点，在混凝土结构中得到广泛的应用，并作为一种新型高性能结构材料受到工程界的广泛关注，国内外有关研究和工程单位开展了大量的研究和实践应用，近年来的研究表明，FRP加固钢结构也具有很好的效果。结果表明，由于应力高度集中导致CFRP与钢板之间脱落，CFRP刚度退化导致整个结构失效;相对焊接加固钢板，CFRP加固钢结构具有很大的优势，可以通过优化节点设计降低接触面之间的最大应力，同时适当厚度和弹性模量值的CFRP对于减少CFRP脱落十分关键。3、连接节点加固连接节点加固是钢结构改扩建中最复杂的一个环节，技术措施主要有焊缝加固、粘钢加固、碳纤维加固、套管加固、肋板加固等。钢结构加固连接方法的选择，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状态及施工条件，并考虑结构原有的连接方法确定，在同一受力部位连接的加固中，不宜采用刚度相差较大的加固措施。钢管结构相贯节点的加固方法主要有主管上加套管、加内隔板、主管加劲环加固及肋板加固等。在节点外侧贴焊钢板和在空心钢管内填充混凝土都能有效提高节点的极限承载力;在GB50017-2003《钢结构设计规范》中，N型节点是按照K型节点设计，而根据试验研究和数值模拟推导的节点极限承载力公式，考虑了上弦杆直径的影响，计算结果更加准确。4、贴焊钢板加固构件截面能有效改善结构承载力，但是焊接残余应力对结构产生的不利影响值得重视，尽管规范对荷载作用下焊接加固的名义应力做出了要求，焊接加固后构件的应力分布有待进一步研究。5、板件加厚和设置加劲板被证实能够有效防止钢管相贯节点的脆性破坏，但是对加固后节点的屈曲性能、屈曲破坏等研究尚不够深入。6、盖板加固钢框架节点取得了预期的效果，但是对于盖板加固后钢框架节点的弯矩-转角曲线的研究目前比较空缺，加固后节点的半刚性性能研究有待进一步深入。7、碳纤维布加固。构件截面和节点能够有效避免焊接残余应力对结构的损伤，能够有效提高结构的疲劳寿命，但是当前的研究仅局限于对板材和钢管的研究，在负荷结构的碳纤维加固领域，希望能够取得更加有价值的试验数据和理论研究成果。结论：本文对近些年国内外钢结构加固领域的研究工作进行总结，主要阐述了其在改变结构计算图形、构件截面加固及连接节点加固3个方面的研究进展。尽管加固方法众多，但是在选择具体的加固方案时，要根据结构特点、工作环境、施工条件、经济效益等综合考虑。虽然当前钢结构加固研究已经取得了比较大的成果，但是还需要开展更深入的研究，参考文献CECS77:96钢结构加固技术规范[S].俞国音.工业厂房钢结构的安全评定和加固技术(上)J].工业建筑，1995,25(12):50-55.俞国音.工业厂房钢结构的安全评定和加固技术(下)J].工业建筑，1996，26(1):45-53.⑷苏庆田，张其林，但泽义，等.宝钢