鋼結(jié)構(gòu)加固方法研究進(jìn)展

李佳臨 李俊麒

中國城市建設(shè)研究院有限公司 北京 100120

1 傳統(tǒng)加固方法

傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加固的原則是采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力，充分考慮空間協(xié)同工作。在結(jié)構(gòu)上增加支撐形成空間，調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，提高結(jié)構(gòu)承載力、改善結(jié)構(gòu)動力特性和增加輔助桿件，減少鋼結(jié)構(gòu)中的長細(xì)比，以及加強(qiáng)排架架構(gòu)中某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，減輕其他柱列的負(fù)荷。對受彎桿件可將一個集中載荷載轉(zhuǎn)化為多個集中荷載，改變端部支撐情況，比如變鉸接為剛接、增加中間支座或?qū)⒑喼ЫY(jié)構(gòu)端部連接成為連續(xù)結(jié)構(gòu)、調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置等，增加穩(wěn)定性[1]。

圖1 在桁架中假設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿

2 鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)及其應(yīng)用研究

2.1 增大橫截面焊接加固法

增大橫截面法是一種基本的加固方法，尤其是在承載條件下，考慮焊接加固施工的便捷性和可靠性，往往是鋼結(jié)構(gòu)加固中最傳統(tǒng)也是最直接的選擇。長期以來，承載條件下焊接加固鋼結(jié)構(gòu)工作是按照CECS77∶96和YB9257-96《鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程》兩本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，但由于兩者應(yīng)力比限值及相關(guān)參數(shù)的取值上的差異，缺乏充分的實(shí)驗(yàn)基數(shù)和數(shù)值分析，還存在著諸多不合理之處。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，以提供增大截面焊接加固法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持，包含新的技術(shù)要點(diǎn)。

2.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法又稱粘鋼加固技術(shù)，其流程是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼加固鋼板，使之黏結(jié)形成整體，共同承載，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固能力。從國內(nèi)部分學(xué)者對粘鋼加固技術(shù)的試驗(yàn)研究來看，該技術(shù)具有無明火、作業(yè)面小、不影響結(jié)構(gòu)外形等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是由于加固件與被加固件連接界面的受力復(fù)雜，容易在各種因素的作用下發(fā)生開裂，而且加固效果過于依賴結(jié)構(gòu)膠層的作用發(fā)揮期，此方法在工程界受到一定程度的質(zhì)疑。因此當(dāng)前研究發(fā)展的方向，主要還在于如何提高結(jié)構(gòu)粘膠的黏性和穩(wěn)定性，確保其在實(shí)際工程應(yīng)用中的安全。

2.3 粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)主要有強(qiáng)度大于剛度、抗疲勞性和耐腐蝕性好、現(xiàn)場可操作性強(qiáng)、施工周期短、保護(hù)原結(jié)構(gòu)等等，而且因其優(yōu)異的物理、力學(xué)性能，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。迄今為止，國內(nèi)外學(xué)者對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中的應(yīng)用已展開了大量的研究工作，國外的研究主要集中于受彎構(gòu)件承載性能及疲勞加固方面；而國內(nèi)則側(cè)重于受彎構(gòu)件和受拉構(gòu)件黏結(jié)加固的試驗(yàn)研究，結(jié)合粘貼面的受力機(jī)制，得到了碳纖維布拉伸應(yīng)變、黏結(jié)剪應(yīng)力和有效黏結(jié)長度的計算公式，為粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固方法提供了理論支持。

2.4 組合加固法

組合加固法是利用組合結(jié)構(gòu)加固混凝土的原理，采用內(nèi)填混凝土和外包混凝土的方式對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。內(nèi)填混凝土加固法主要用于加固鋼管構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)負(fù)載盡可能的卸除，但是在大多數(shù)情況下，由于初應(yīng)力水平對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的影響，初始荷載難以卸除，也導(dǎo)致了外包混凝土在進(jìn)行加固時，由于原構(gòu)件所承受的荷載水平出現(xiàn)應(yīng)力滯后的現(xiàn)象。為便于設(shè)計人員在加固中使用，兩種組合加固法可以采用強(qiáng)度折減系數(shù)的概念，基于已有的研究成果，建立強(qiáng)度折減系數(shù)與初應(yīng)力水平的量化關(guān)系，從而對加固后截面的承載能力進(jìn)行折減。

2.5 預(yù)應(yīng)力加固法

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力加固的原理是利用預(yù)應(yīng)力鋼絞線對鋼結(jié)構(gòu)整體或構(gòu)件進(jìn)行加固的方法，其本質(zhì)是通過施加預(yù)應(yīng)力降低原鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，從而改變原鋼結(jié)構(gòu)中的內(nèi)力分布。對鋼結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固主要適用于較大跨度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)加固工程，可以達(dá)到加固原有鋼結(jié)構(gòu)，改變原結(jié)構(gòu)剛度與內(nèi)力的效果，施工方便、成本低廉、預(yù)應(yīng)力束可以單獨(dú)防腐或是更換。預(yù)應(yīng)力加固法在施工過程中的一些關(guān)鍵問題，比如預(yù)應(yīng)力筋拉張程度、典型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)中的錨固方式等，目前是我國科研人員實(shí)驗(yàn)研究的重點(diǎn)。

2.6 含裂紋構(gòu)件的安全評定

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中明確規(guī)定不能使用已產(chǎn)生裂紋的鋼結(jié)構(gòu)，對于既有鋼結(jié)構(gòu)中已經(jīng)出現(xiàn)的裂紋，應(yīng)結(jié)合斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)對含裂紋構(gòu)件進(jìn)行安全評定并對其加固。比如一些特別重要或者特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的連接節(jié)點(diǎn)，可以給予抗斷評估結(jié)果來確定構(gòu)件是否需要加固，如板厚大于50毫米的厚板或超厚板構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)、承受較大沖擊荷載的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)、低溫和疲勞共同作用的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)腐蝕或強(qiáng)輻射環(huán)境中的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等。這一思路還僅適用于解決個別工程，應(yīng)進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作，力求通過規(guī)范，將有效抗斷評估簡單化。

3 結(jié)束語

隨著科技發(fā)展而不斷出現(xiàn)新的鋼結(jié)構(gòu)加固方法，這些新技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，并且得到了廣泛的應(yīng)用，但這并不能說明新技術(shù)可以取代傳統(tǒng)方式。總之，為了保證經(jīng)正常設(shè)計、施工的鋼結(jié)構(gòu)工程的可靠度，除了發(fā)展新型的加固技術(shù)，亦應(yīng)做好各種加固方法的優(yōu)勢互補(bǔ)，為鋼結(jié)構(gòu)加固方法提供可靠的技術(shù)支持，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、堅固。