《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》編制淺析

黎紅兵, 梁 爽, 劉漢昆

(四川省建筑科學(xué)研究院, 四川成都 610081)

?

《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》編制淺析

黎紅兵, 梁 爽, 劉漢昆

(四川省建筑科學(xué)研究院, 四川成都 610081)

文章對《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》的編制進(jìn)行了淺析，闡明了標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵問題。

鋼結(jié)構(gòu)； 加固； 設(shè)計規(guī)范

1 《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》編制的目的、意義

我國歷來雖是鋼結(jié)構(gòu)建筑物較少的國家，但隨著全面改革的不斷深化，經(jīng)濟(jì)形勢的持續(xù)向好，以及鋼產(chǎn)量躍居世界首位，當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展已進(jìn)入鼎盛時期：不僅在工業(yè)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(yīng)用，而且鋼結(jié)構(gòu)的住宅建設(shè)也與日俱增。過去鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)因鋼材長期匱乏所制定的限制使用鋼結(jié)構(gòu)的措施已轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿愉摻Y(jié)構(gòu)快速發(fā)展的戰(zhàn)略。據(jù)有關(guān)部門粗略統(tǒng)計現(xiàn)存的鋼結(jié)構(gòu)建筑物已不下3.5億平方米；鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢不僅得到了全社會的廣泛重視和認(rèn)同，而且也越來越使這類結(jié)構(gòu)體系在工程建設(shè)領(lǐng)域中占據(jù)日益重要的地位。在這種形勢下，很快就伴生了對既有鋼結(jié)構(gòu)建筑物的修繕、加固與改造的需求，并產(chǎn)生了對制訂相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的迫切感。為此，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部及時下達(dá)了編制國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》的任務(wù)，以適應(yīng)當(dāng)前工程實踐的需要。

2 主要編制工作

規(guī)范編制組在認(rèn)真整理近20 a來管理中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 77：96[1]《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》過程中所收到的反饋信息，以及組織編制組成員學(xué)習(xí)掌握編制國家標(biāo)準(zhǔn)的基本要求與編寫方法的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了以下工作。

2.1 各加固方法重要參數(shù)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(jié)構(gòu)加固設(shè)計重要參數(shù)的驗證性試驗，解決了負(fù)荷狀態(tài)下焊接加固、外包鋼筋混凝土加固、鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固等的承載力評估問題，為加固設(shè)計的應(yīng)用提供了基本依據(jù)[2-6]。

2.2 梁柱節(jié)點和栓焊并用連接的承載性能及其設(shè)計方法

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

2.3 鋼結(jié)構(gòu)加固用膠

與全國建筑物鑒定與加固標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會合作，對新納入規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)加固用膠，進(jìn)行了系統(tǒng)的安全性檢測與鑒定，并在此基礎(chǔ)上起草了鋼結(jié)構(gòu)加固用膠安全性合格評定標(biāo)準(zhǔn)草案。

2.4 抗震錨栓

我國是地震多發(fā)國家之一，為此，編制組組織研究了抗震設(shè)防區(qū)錨栓技術(shù)的應(yīng)用問題。在這基礎(chǔ)上篩選了4種較為安全可靠的錨栓納入規(guī)范，并參照美國ACI318等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，驗證了錨栓承載力主要參數(shù)并給出了構(gòu)造要求。為錨栓用于鋼結(jié)構(gòu)加固的驗算提供了可靠的依據(jù)。

此外，通過大量調(diào)查分析，總結(jié)了不同加固工程的實踐經(jīng)驗和工程的事故教訓(xùn)。

3 編制過程中遇到的主要問題

3.1 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)粘接加固后設(shè)計使用年限的確定

本規(guī)范征求意見稿從既有鋼結(jié)構(gòu)建筑粘接加固的使用情況出發(fā)，參照歐美有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，作出了以30 a為宜的規(guī)定，而反饋意見認(rèn)為，這樣處理不符合現(xiàn)實的國情。因為國內(nèi)有不少新建工程也存在著必須立即加固的問題；并且從業(yè)主的角度出發(fā)，也要求加固后的結(jié)構(gòu)仍能擁有至少50年的設(shè)計使用年限。這對使用室溫固化的普通結(jié)構(gòu)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(rèn)為能滿足30年使用期的要求；而既有結(jié)構(gòu)的加固以30 a為設(shè)計使用期也是合理的，但我國當(dāng)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(jié)構(gòu)膠。按照國際慣例，如果要求結(jié)構(gòu)膠或其他聚合物能在正常的加固環(huán)境中安全工作50 a，就必須以著名的Findley理論為依據(jù)，進(jìn)行不少于5 000 h的耐長期應(yīng)力作用的檢驗。經(jīng)鑒定評估通過后，才允許用于設(shè)計使用期為50 a的結(jié)構(gòu)加固工程。

3.2 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)加固用膠的性能要求

鋼結(jié)構(gòu)加固用膠，對韌性和耐久性的要求很高，但現(xiàn)場常溫固化的結(jié)構(gòu)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(nèi)外有關(guān)專家一致認(rèn)為，只能在滿足結(jié)構(gòu)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(jù)這一原則，在高分子化學(xué)領(lǐng)域編委的努力研發(fā)下，提出了鋼結(jié)構(gòu)用膠的安全性能合格指標(biāo)，以供鋼構(gòu)件粘接鋼板和粘接碳纖維復(fù)合材使用。

3.3 關(guān)于鋼構(gòu)件焊接加固的使用條件

負(fù)荷狀態(tài)下，鋼構(gòu)件的焊接加固，應(yīng)根據(jù)原構(gòu)件的使用條件，控制其最大名義應(yīng)力與屈服強度(或屈服點)的比值不超過相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定值。現(xiàn)行協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 77：96[1]和冶標(biāo)YB 9257-96[8]均分別給出了該限制。近20 a執(zhí)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(yán)；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(jù)此，編制組通過驗證性試驗分析結(jié)果認(rèn)為，可將CECS 77：96中Ⅲ類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比限值從0.55調(diào)為0.65；并根據(jù)冶金系統(tǒng)的使用經(jīng)驗，將Ⅳ類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比限值調(diào)為0.80。

3.4 關(guān)于焊接加固高強螺栓連接的問題

CECS 77：96[1]規(guī)定：當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》時，編制組根據(jù)清華大學(xué)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(jìn)一步給出了栓焊并用連接受剪承載力的分配比例。

3.5 關(guān)于型鋼構(gòu)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(gòu)件加固有可靠的方法，本規(guī)范納入了外包鋼筋混凝土的加固法。這從傳統(tǒng)的勁性混凝土結(jié)構(gòu)來看，是一種可靠的結(jié)構(gòu)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(guī)范一方面引入了新增鋼筋混凝土的強度折減系數(shù)來考慮；同時在型鋼與混凝土界面的傳力構(gòu)造上，引入了栓釘作為抗剪連接件；在此基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB 9082[9]《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，給出了壓彎和偏壓構(gòu)件的正截面承載力驗算公式，并按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010[10]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)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(shù) 。經(jīng)算例試算表明，本規(guī)范規(guī)定的計算方法及其參數(shù)的取值均較為穩(wěn)健，兼之本規(guī)范所采用的是疊加原理，并未要求鋼構(gòu)件與混凝土共同作用，而實際存在的共同作用效應(yīng)，則僅作為安全儲備。

3.6 關(guān)于鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固法對二次受力影響的考量

本規(guī)范編制組在制訂鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固法時，考慮到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用中，為了加快其施工速度，一般均是先架設(shè)空鋼管而后內(nèi)澆混凝土，故在鋼管與混凝土共同受力前，鋼管便已存在內(nèi)應(yīng)力。這與既有鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固的受力情況有相似之處，只是內(nèi)應(yīng)力的大小及作用的時間不同而已。因此設(shè)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(shù)，便可按GB 50936[11]《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行加固設(shè)計計算。基于這一概念，采用武漢大學(xué)、福州大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位通過試驗研究所取得的軸壓承載力折減系數(shù)0.75，建立了本規(guī)范的設(shè)計計算方法，從而收到了簡單而實用的效果。

3.7 關(guān)于膠粘鋼板加固法的若干技術(shù)措施

本規(guī)范為了充實非焊接的加固方法，新增了膠粘鋼板加固鋼構(gòu)件的方法。該方法在鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中已有過不少試用的實例。因此，在總結(jié)這些試用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了下列4項技術(shù)措施以保證安全：

(1)對大尺寸鋼構(gòu)件的現(xiàn)場表面糙化處理，采用現(xiàn)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(jié)構(gòu)加固用膠，給出了應(yīng)具有低蠕變性能和抗剝離性能的要求；同時規(guī)定結(jié)構(gòu)膠進(jìn)場時，必須通過見證取樣復(fù)檢后方可使用；

(3)粘鋼的端部采用可靠的機(jī)械錨固措施和緩解應(yīng)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(fā)生銹蝕而導(dǎo)致粘鋼失效。

4 結(jié)束語

新編制的國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》，總結(jié)了國內(nèi)外既有鋼結(jié)構(gòu)加固工程的實踐經(jīng)驗，吸取了國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)加固工程事故的深刻教訓(xùn)，明確了鋼結(jié)構(gòu)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(shù)及加固材料，在安全范圍內(nèi)修正了若干關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，從而使鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計做到技術(shù)可靠、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理，并確保質(zhì)量。

[1] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會建筑物鑒定與加固委員會.CECS 77:96鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)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(fù)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(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35(7):78-86.

[3] 王元清，羅睿奇，肖建春，等.負(fù)載下焊接加固鋼結(jié)構(gòu)端板連接節(jié)點承載性能試驗[J].天津大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2015(s1):25-31.

[4] 王元清，蔣立，戴國欣，等.負(fù)載下鋼結(jié)構(gòu)工字形壓彎構(gòu)件焊接加固試驗[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016,48(6).

[5] 王元清，唐偉明，宗亮，等.負(fù)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(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36(s2):275-284.

[6] 杜新喜，蔡宗洋，程曉燕，等.負(fù)載下內(nèi)填混凝土加固鋼管構(gòu)件軸壓性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36(s2).

[7] 羅睿奇，王元清，肖建春，等.負(fù)載下鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點加固技術(shù)及其工程應(yīng)用[C]//第十三屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會，2013:894-901.

[8] 中華人民共和國冶金工業(yè)部.YB 9257-96鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程[S].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[9] 冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院.YB 9082-2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[10] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50936-2014鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)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(guān)科研工作。

TU398

A

[定稿日期]2017-03-03