《鋼結構加固設計規范》編制淺析

黎紅兵, 梁 爽, 劉漢昆

(四川省建筑科學研究院, 四川成都 610081)

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《鋼結構加固設計規范》編制淺析

黎紅兵, 梁 爽, 劉漢昆

(四川省建筑科學研究院, 四川成都 610081)

文章對《鋼結構加固設計規范》的編制進行了淺析，闡明了標準制訂的目的及意義，介紹了制訂過程中的主要工作，闡釋了其中的關鍵問題。

鋼結構； 加固； 設計規范

1 《鋼結構加固設計規范》編制的目的、意義

我國歷來雖是鋼結構建筑物較少的國家，但隨著全面改革的不斷深化，經濟形勢的持續向好，以及鋼產量躍居世界首位，當前鋼結構的應用與發展已進入鼎盛時期：不僅在工業建筑、大型公共建筑以及各類重要土木工程中得到了廣泛的應用，而且鋼結構的住宅建設也與日俱增。過去鋼結構行業因鋼材長期匱乏所制定的限制使用鋼結構的措施已轉變為推動鋼結構快速發展的戰略。據有關部門粗略統計現存的鋼結構建筑物已不下3.5億平方米；鋼結構的諸多優勢不僅得到了全社會的廣泛重視和認同，而且也越來越使這類結構體系在工程建設領域中占據日益重要的地位。在這種形勢下，很快就伴生了對既有鋼結構建筑物的修繕、加固與改造的需求，并產生了對制訂相關國家標準規范的迫切感。為此，住房城鄉建設部及時下達了編制國家標準《鋼結構加固設計規范》的任務，以適應當前工程實踐的需要。

2 主要編制工作

規范編制組在認真整理近20 a來管理中國工程建設標準化協會標準CECS 77：96[1]《鋼結構加固技術規范》過程中所收到的反饋信息，以及組織編制組成員學習掌握編制國家標準的基本要求與編寫方法的基礎上，主要進行了以下工作。

2.1 各加固方法重要參數的試驗驗證

編制組中高等院校和科研單位成員利用其擁有的實驗室，開展鋼結構加固設計重要參數的驗證性試驗，解決了負荷狀態下焊接加固、外包鋼筋混凝土加固、鋼管構件內填混凝土加固等的承載力評估問題，為加固設計的應用提供了基本依據[2-6]。

2.2 梁柱節點和栓焊并用連接的承載性能及其設計方法

組織有關單位成立重點課題組，通過調查和驗證性試驗，研究了梁柱節點和栓焊并用連接的承載性能及其設計計算方法[7]。

2.3 鋼結構加固用膠

與全國建筑物鑒定與加固標準技術委員會合作，對新納入規范的鋼結構加固用膠，進行了系統的安全性檢測與鑒定，并在此基礎上起草了鋼結構加固用膠安全性合格評定標準草案。

2.4 抗震錨栓

我國是地震多發國家之一，為此，編制組組織研究了抗震設防區錨栓技術的應用問題。在這基礎上篩選了4種較為安全可靠的錨栓納入規范，并參照美國ACI318等有關標準，驗證了錨栓承載力主要參數并給出了構造要求。為錨栓用于鋼結構加固的驗算提供了可靠的依據。

此外，通過大量調查分析，總結了不同加固工程的實踐經驗和工程的事故教訓。

3 編制過程中遇到的主要問題

3.1 關于鋼結構粘接加固后設計使用年限的確定

本規范征求意見稿從既有鋼結構建筑粘接加固的使用情況出發，參照歐美有關標準的相關規定，作出了以30 a為宜的規定，而反饋意見認為，這樣處理不符合現實的國情。因為國內有不少新建工程也存在著必須立即加固的問題；并且從業主的角度出發，也要求加固后的結構仍能擁有至少50年的設計使用年限。這對使用室溫固化的普通結構膠或其他聚合物的加固工程而言，有較大的難度。因為按國際上的共識，只要能通過90 d的耐濕熱老化檢驗，便可認為能滿足30年使用期的要求；而既有結構的加固以30 a為設計使用期也是合理的，但我國當前對新建工程的加固，卻要求有50年的使用期；在這種情況下，就必須采用耐久性更好的結構膠。按照國際慣例，如果要求結構膠或其他聚合物能在正常的加固環境中安全工作50 a，就必須以著名的Findley理論為依據，進行不少于5 000 h的耐長期應力作用的檢驗。經鑒定評估通過后，才允許用于設計使用期為50 a的結構加固工程。

3.2 關于鋼結構加固用膠的性能要求

鋼結構加固用膠，對韌性和耐久性的要求很高，但現場常溫固化的結構膠都很難做到既粘接抗剪強度高，而又高韌性、低蠕變。因此，國內外有關專家一致認為，只能在滿足結構膠抗剪和蠕變性能安全性要求的情況下，使其韌性或抗剝離性盡可能高。根據這一原則，在高分子化學領域編委的努力研發下，提出了鋼結構用膠的安全性能合格指標，以供鋼構件粘接鋼板和粘接碳纖維復合材使用。

3.3 關于鋼構件焊接加固的使用條件

負荷狀態下，鋼構件的焊接加固，應根據原構件的使用條件，控制其最大名義應力與屈服強度(或屈服點)的比值不超過相應規范的規定值。現行協會標準CECS 77：96[1]和冶標YB 9257-96[8]均分別給出了該限制。近20 a執行所反饋的信息表明：CECS對承受靜載和間接動載的使用情況偏嚴；而YB對間接承受動載的使用情況偏松，但對承受靜載的Ⅳ類使用情況較為合理。據此，編制組通過驗證性試驗分析結果認為，可將CECS 77：96中Ⅲ類結構的應力比限值從0.55調為0.65；并根據冶金系統的使用經驗，將Ⅳ類結構的應力比限值調為0.80。

3.4 關于焊接加固高強螺栓連接的問題

CECS 77：96[1]規定：當采用焊接加固原高強螺栓連接時，不考慮焊縫與原高強螺栓的共同工作。此次編制國家標準《鋼結構加固設計規范》時，編制組根據清華大學等單位所做的驗證性試驗成果，給出了可共同工作的范圍和條件。在這一前提下，進一步給出了栓焊并用連接受剪承載力的分配比例。

3.5 關于型鋼構件外包鋼筋混凝土加固法對二次受力影響的考量

為了使需要大幅度提高承載能力的型鋼構件加固有可靠的方法，本規范納入了外包鋼筋混凝土的加固法。這從傳統的勁性混凝土結構來看，是一種可靠的結構形式，但對加固工程而言，則存在著二次受力和二次施工影響等問題。本規范一方面引入了新增鋼筋混凝土的強度折減系數來考慮；同時在型鋼與混凝土界面的傳力構造上，引入了栓釘作為抗剪連接件；在此基礎上，參照現行行業標準YB 9082[9]《鋼骨混凝土結構技術規程》的規定，給出了壓彎和偏壓構件的正截面承載力驗算公式，并按現行國家標準GB 50010[10]《混凝土結構設計規范》的規定，給出了考慮二階彎矩對軸向壓力偏心距影響的偏心距增大系數 。經算例試算表明，本規范規定的計算方法及其參數的取值均較為穩健，兼之本規范所采用的是疊加原理，并未要求鋼構件與混凝土共同作用，而實際存在的共同作用效應，則僅作為安全儲備。

3.6 關于鋼管構件內填混凝土加固法對二次受力影響的考量

本規范編制組在制訂鋼管構件內填混凝土加固法時，考慮到鋼管混凝土結構在實際工程應用中，為了加快其施工速度，一般均是先架設空鋼管而后內澆混凝土，故在鋼管與混凝土共同受力前，鋼管便已存在內應力。這與既有鋼管構件內填混凝土加固的受力情況有相似之處，只是內應力的大小及作用的時間不同而已。因此設想：只要通過試驗研究給出考慮二次受力和二次施工影響的承載力折減系數，便可按GB 50936[11]《鋼管混凝土結構技術規范》的規定進行加固設計計算。基于這一概念，采用武漢大學、福州大學和哈爾濱工業大學等單位通過試驗研究所取得的軸壓承載力折減系數0.75，建立了本規范的設計計算方法，從而收到了簡單而實用的效果。

3.7 關于膠粘鋼板加固法的若干技術措施

本規范為了充實非焊接的加固方法，新增了膠粘鋼板加固鋼構件的方法。該方法在鋼結構加固領域中已有過不少試用的實例。因此，在總結這些試用經驗的基礎上，提出了下列4項技術措施以保證安全：

(1)對大尺寸鋼構件的現場表面糙化處理，采用現場噴砂處理，而且宜采用可回收磨料的真空或吸入式磨料噴射處理；若無需回收磨料，可采用離心磨料噴射處理；

(2)對鋼結構加固用膠，給出了應具有低蠕變性能和抗剝離性能的要求；同時規定結構膠進場時，必須通過見證取樣復檢后方可使用；

(3)粘鋼的端部采用可靠的機械錨固措施和緩解應力集中的措施；

(4)采取有效的防銹蝕措施，以防止鋼材粘合面發生銹蝕而導致粘鋼失效。

4 結束語

新編制的國家標準《鋼結構加固設計規范》，總結了國內外既有鋼結構加固工程的實踐經驗，吸取了國內外鋼結構加固工程事故的深刻教訓，明確了鋼結構加固工程中存在的若干重要問題，豐富了推薦使用的加固技術及加固材料，在安全范圍內修正了若干關鍵技術參數，從而使鋼結構的加固設計做到技術可靠、安全適用、經濟合理，并確保質量。

[1] 中國工程建設標準化協會建筑物鑒定與加固委員會.CECS 77:96鋼結構加固技術規范[S].北京：中國計劃出版社，1996.

[2] 王元清，祝瑞祥，戴國欣，等.初始負載下焊接加固工字形截面鋼柱受力性能試驗研究[J].建筑結構學報，2014，35(7):78-86.

[3] 王元清，羅睿奇，肖建春，等.負載下焊接加固鋼結構端板連接節點承載性能試驗[J].天津大學學報： 自然科學與工程技術版，2015(s1):25-31.

[4] 王元清，蔣立，戴國欣，等.負載下鋼結構工字形壓彎構件焊接加固試驗[J].哈爾濱工業大學學報，2016,48(6).

[5] 王元清，唐偉明，宗亮，等.負載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱軸壓性能試驗研究[J].建筑結構學報，2015，36(s2):275-284.

[6] 杜新喜，蔡宗洋，程曉燕，等.負載下內填混凝土加固鋼管構件軸壓性能試驗研究[J].建筑結構學報，2015，36(s2).

[7] 羅睿奇，王元清，肖建春，等.負載下鋼結構梁柱節點加固技術及其工程應用[C]//第十三屆全國現代結構工程學術研討會，2013:894-901.

[8] 中華人民共和國冶金工業部.YB 9257-96鋼結構檢測評定及加固技術規程[S].北京：冶金工業出版社，1997.

[9] 冶金工業信息標準研究院.YB 9082-2006鋼骨混凝土結構技術規程[S].北京：冶金工業出版社，2007.

[10] 中國建筑科學研究院.GB 50010-2010混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50936-2014鋼管混凝土結構技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

黎紅兵(1983～)，男，工程師，碩士，主要從事建筑物鑒定、加固及相關科研工作。

TU398

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[定稿日期]2017-03-03