鋼結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)及其應(yīng)用研究

【摘要】近年來，我國鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。本文全面歸納了包括粘貼鋼板加固法、粘貼纖維增強復(fù)合材料加固法、組合加固法等在內(nèi)的多種鋼結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)，并簡要闡述了其應(yīng)用研究現(xiàn)狀。結(jié)合新版國家標(biāo)準(zhǔn)編制的需要，提出了各種新技術(shù)納入規(guī)范時的關(guān)鍵技術(shù)問題和可能的解決思路，為該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)；應(yīng)用研究

近年來，隨著鋼鐵產(chǎn)量的提高、鋼材材性的不斷改進、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展進步和對于大跨、高層、超高層建筑需求的增加，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用突飛猛進。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，分布式光伏發(fā)電特別是原有鋼結(jié)構(gòu)大型屋面光伏發(fā)電項目的不斷涌現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)廠房的安全問題逐漸顯露出來，在積累了很多經(jīng)驗教訓(xùn)的同時，必須對存在安全隱患的鋼結(jié)構(gòu)進行加固，從而避免鋼結(jié)構(gòu)事故的發(fā)生。

1、鋼結(jié)構(gòu)加固新技術(shù)及其應(yīng)用研究

1.1增大截面焊接加固法

加固方法的一種最基本的方法就是增大截面法。而其中通過焊接方式增大截面是鋼結(jié)構(gòu)加固中最傳統(tǒng)也是最直接的選擇。尤其是在承載條件下，由于焊接加固施工的便捷性和可靠性，往往成為鋼結(jié)構(gòu)加固的首選方案。CECS77∶96對焊接加固鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計方法進行了較為詳細的說明。基于此，國標(biāo)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》編制組開展了承載條件下焊接加固鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載性能的研究工作，對軸心受壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件、偏心受壓構(gòu)件經(jīng)焊接加固后的力學(xué)性能進行了大量的試驗研究和數(shù)值分析，細致考察了焊接加固過程中構(gòu)件的應(yīng)力重分布、變形發(fā)展歷程以及加固后的殘余變形、破壞模式和承載能力。

1.2粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法又稱粘鋼加固技術(shù)，是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，依靠結(jié)構(gòu)膠使之黏結(jié)形成整體共同工作，以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法，屬于一類特殊的增大截面加固法。該技術(shù)施工過程中不使用明火，不影響結(jié)構(gòu)外形，所要求工作面小。

1.3粘貼纖維增強復(fù)合材料加固法

纖維增強復(fù)合材料（FRP）具有優(yōu)異的物理、力學(xué)性能，如比強度和比剛度高、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好、現(xiàn)場可操作性強、施工周期短、不損傷原結(jié)構(gòu)等，目前已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的加固之中，其中常用的FRP有三種，即碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強復(fù)合材料（GFRP）和芳綸纖維增強復(fù)合材料（AFRP）。由于鋼結(jié)構(gòu)的強度和剛度高，因此采用強度和彈性模量相對較高的CFRP較為合適，而且除對鋼管柱采用FRP布進行環(huán)向加固之外，宜采用板材對鋼構(gòu)件進行加固。

1.4組合加固法

目前用于鋼結(jié)構(gòu)的組合加固法主要包括兩種：內(nèi)填混凝土加固法和外包混凝土加固法。內(nèi)填混凝土加固法主要用于鋼管構(gòu)件，通常宜采取措施卸除或大部分卸除作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，但是在許多情況下初始荷載難以卸除，此時考慮初應(yīng)力水平對加固構(gòu)件承載力的影響。采用外包混凝土加固法時，往往是由于鋼構(gòu)件承受荷載的水平較高，其他增大截面法已不適用。由于原構(gòu)件承受較高的荷載水平，外包混凝土相對于原鋼構(gòu)件而言存在應(yīng)力滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致加固后構(gòu)件與普通的勁性混凝土柱的受力性能存在差異，因此考慮高承載水平的加固后截面承載力設(shè)計方法需要重點研究。

1.5預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法可以對原有的鋼結(jié)構(gòu)進行加固、改變原結(jié)構(gòu)的剛度和內(nèi)力的效果，適用于較大跨度的鋼結(jié)構(gòu)加固，以及采用一般方法無法加固或加固效果不理想的較高應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)下的大型鋼結(jié)構(gòu)加固，同時還具有施工方便、經(jīng)濟可靠，預(yù)應(yīng)力筋（束）可以單獨防腐甚至可以更換等特點。對于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力加固目前主要應(yīng)用于梁式結(jié)構(gòu)（包括實腹式梁和桁架梁等）。加固后使得原梁式構(gòu)件成為類張弦梁構(gòu)件，有效地防止梁面外失穩(wěn)的發(fā)生。對于柱構(gòu)件，同樣可以采用增設(shè)撐桿和拉索的方式進行加固，減小柱計算長度，提高剛度和穩(wěn)定性，但相比于梁構(gòu)件而言，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在柱構(gòu)件中的應(yīng)用較少。

1.6連接和節(jié)點的加固

1.6.1栓焊并用連接節(jié)點加固

栓焊并用連接主要指的是在一個連接點中，摩擦型高強度螺栓連接和貼角焊縫并用連接，且承受同一剪切荷載作用。栓焊并用連接能很好地發(fā)揮螺栓連接和焊接兩種連接方式的優(yōu)點，在實際工程中能夠得到廣泛的應(yīng)用。在采用螺栓連接設(shè)計不足或是使用荷載增大等情況下，可以采用栓焊并用連接進行節(jié)點加固補強。

1.6.2承受荷載下焊接加固梁柱節(jié)點與端板連接節(jié)點

在梁柱的節(jié)點方面，很多學(xué)者對此有自己的觀點。楊文等對焊接蓋板加固梁柱節(jié)點開展了一系列卓有成效的研究，建立了精細的有限元模型并進行了數(shù)值模擬，提出了蓋板加固梁柱節(jié)點的簡化力學(xué)模型，基于此給出了梁柱連接節(jié)點負載下蓋板加固設(shè)計方法。隨后，曹輝等開展了負載下焊接蓋板加固梁柱節(jié)點的試驗研究，為設(shè)計方法的驗證提供了數(shù)據(jù)支持。但是，楊文等提出的設(shè)計方法驗算流程較為復(fù)雜，不便于被工程設(shè)計人員直接使用，宜根據(jù)對加固后節(jié)點進行強度折減的思路簡化設(shè)計方法。

1.7含裂紋構(gòu)件的安全評定

鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計的過程中，一定不能帶裂紋進行工作。對于既有鋼結(jié)構(gòu)，可能已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，這時是否應(yīng)該對其加固值得研究，斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)為含裂紋構(gòu)件的安全評定提供了有效的解決途徑。對于特別重要或特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接節(jié)點可采用斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)的方法對結(jié)構(gòu)構(gòu)件和連接節(jié)點進行抗脆斷評估。

結(jié)語：

綜上所述，建筑鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)可推動我國橋梁的發(fā)展，同時還可提升我國建筑的抗壓能力。在建筑鋼結(jié)構(gòu)的中，應(yīng)充分了解鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性能，由于鋼結(jié)構(gòu)的加固方案需因地制宜，因此在實際中應(yīng)創(chuàng)新鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的技術(shù)，并深入了解建筑的需求，并將鋼結(jié)構(gòu)加固的理論進行完善，提升鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

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