建筑工程鋼結構加固技術及含裂紋構件安全評定方法探討

李洪武

（長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410124）

0 引言

近年來，隨著我國建筑結構形式的多樣化，鋼結構得以迅速應用和發(fā)展。傳統(tǒng)的鋼結構加固方式已無法滿足現階段發(fā)展的實際需求，制約了我國鋼結構建設工程的技術進步。鑒于此，本文總結一系列鋼結構加固技術及應用要點，同時，對含裂紋構件的安全性進行評定，為鋼結構的加固維修提供參考。

1 鋼結構構件加固技術及施工要點

1.1 增大截面焊接加固法

增大截面焊接加固法是指在原有鋼結構構件的受力部位，通過焊接方式增加鋼板或型鋼，以增大原有構件的截面積、剛度和強度，從而提高其承載力、穩(wěn)定性的一種加固方法。其施工操作要點如下。

（1）軸心受壓構件、偏心受壓構件、受彎構件等經過焊接加固后，通過試驗驗證其在荷載作用下的性能變化情況，從而確定合理的焊接方案及技術參數。圖1為焊接加固構件數值模擬流程。

圖1 焊接加固構件數值模擬流程

（2）結合構件類型和受力情況合理選擇加固方式，如對于軸心受壓構件，可采用對稱或非對稱增大截面法；對于偏心受壓構件，可采用偏心增大截面法；對于受彎構件，可采用增大抵抗矩法或增大抵抗剪力法等。

（3）施工前，應對原有鋼結構表面進行清理、打磨、除銹等處理，以保證焊接質量。同時，應根據原有鋼結構的材質、規(guī)格、形狀等選擇合適的焊接材料和方法，如電弧焊、氣體保護焊、埋弧焊等。

（4）施工過程中，應按照焊接方案及參數嚴格進行操作控制，避免產生過熱、過冷、變形、裂紋等缺陷。同時，應注意防止火災和觸電等安全事故。

（5）施工后，應對焊接部位進行檢查、檢測和評定，確保達到設計要求及規(guī)范標準。如有不合格的應及時修復或返工。

1.2 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法是指在原有鋼結構構件的受力部位，通過結構膠粘劑將鋼板粘貼在原有構件的表面，以增大原有構件的截面積、剛度和強度，提高其承載力及穩(wěn)定性的一種加固方法[1-2]。其施工操作要點如下。

（1）施工前，應對原有鋼結構表面進行清理、打磨、除銹等處理，保證粘接質量。同時，應根據原有鋼結構的材質、規(guī)格、形狀等選擇合適的鋼板和結構膠粘劑，并按照設計要求進行切割、打孔、預制等工序。

（2）施工中，應按照粘貼方案、參數進行嚴格的操作控制，避免產生空鼓、脫層、滑移等缺陷。同時，應注意防止膠粘劑污染環(huán)境和危害人體等安全事故。

（3）施工后，應對粘接部位進行檢查、檢測和評定，確保達到設計要求、規(guī)范標準。如有不合格或不滿意的地方，應及時進行修復或重做。

1.3 粘貼纖維增強復合材料加固法

粘貼纖維增強復合材料加固法是指采用結構膠粘劑將纖維復合材料（如碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）粘貼于原有鋼結構構件的受力部位，使之形成具有整體性的復合截面，以增大原有構件的截面積、剛度和強度，提高其承載力及穩(wěn)定性的一種加固方法。該方法適用于受彎構件、偏心受壓構件、剪力墻等不同類型的鋼結構構件。其施工操作要點如下。

（1）應結合構件類型、受力情況合理選擇粘貼方式，如對于受彎構件，可采用單面或雙面粘貼法；對于偏心受壓構件，可采用偏心粘貼法；對于剪力墻，可采用全面或局部粘貼法等。

（2）對原有鋼結構表面進行清理、打磨、除銹等處理，保證粘接質量。同時，應根據原有鋼結構的材質、規(guī)格、形狀等選擇合適的纖維復合材料、結構膠粘劑，并按照設計要求進行切割、打孔、預制等工序。

（3）按照粘貼方案及參數嚴格進行操作控制，避免產生空鼓、脫層、滑移等缺陷。同時，應注意防止膠粘劑污染環(huán)境等問題。

1.4 組合加固法

組合加固法是指在原有鋼結構構件的內部或外部，采用混凝土或其他材料與鋼材組合，形成復合截面，以提高原有構件的截面積、剛度和強度，提高其承載力、穩(wěn)定性的一種加固方法。該方法適用于受彎構件、軸心受壓構件、剪力墻等不同類型的鋼結構構件。針對鋼結構建筑的加固，應結合構件類型和受力情況合理選擇組合方式，如對于受彎構件，可采用內填混凝土加固法或外包混凝土加固法；對于軸心受壓構件，可采用內填混凝土加固法或外包型鋼加固法；對于剪力墻，可采用外包混凝土加固法等。內填和外包混凝土組合加固法如圖2所示[3-5]。

圖2 內填和外包混凝土組合加固法

1.5 預應力加固法

預應力加固法是采用外加預應力鋼拉桿或型鋼撐桿對結構構件或整體進行加固的方法，特點是通過預應力手段強迫后加部分拉桿或撐桿受力，以改變原結構內力分布并降低原結構應力水平，致使一般加固結構中所特有的應力應變滯后現象得以完全消除。常用的鋼結構預應力加固方案如圖3所示。

圖3 鋼構件典型預應力加固方案

就鋼結構整體而言，預應力加固具體應用在剛度及穩(wěn)定性不足的單跨鋼架、拱架和大型橋跨構造，通過改變受力形式或優(yōu)化結構體系等方式有效提升結構剛度及穩(wěn)定性。鋼結構整體預應力加固形式如圖4所示。

圖4 整體結構預應力加固方案示意

2 鋼結構連接節(jié)點的加固技術

2.1 栓焊并用連接節(jié)點加固

栓焊并用連接是指在一個連接結點中，摩擦型高強度螺栓連接和貼角焊縫并用，且承受同一剪切荷載作用。栓焊并用連接節(jié)點，主要應用于螺栓連接節(jié)點的焊接加固補強。該方法可提高節(jié)點承載力及剛度，減小節(jié)點變形和應力集中，兼顧螺栓連接和焊接連接的優(yōu)勢，施工方便靈活，不影響原有結構體系和功能。

2.2 承受荷載下焊接加固梁柱節(jié)點與端板連接節(jié)點

承受荷載下焊接加固梁柱節(jié)點與端板連接節(jié)點是指在梁柱節(jié)點處采用端板連接方式，并在端板和主零件之間設置焊縫，以提高節(jié)點的承載力和剛度。可以有效利用梁翼緣的彎矩抵抗能力，減少梁腹板的剪切應力，降低梁腹板的厚度要求；可以減少螺栓數量和尺寸，節(jié)約材料和施工成本；可以避免螺栓孔對構件截面的影響，以提高構件的抗疲勞性能，而方便進行現場施工、檢測[6]。

3 含裂紋構件的安全評定及加固維護

3.1 含裂紋構件的安全評定方法

為了保證鋼結構的安全可靠性，需對可能存在的裂紋缺陷進行評估。鋼結構構件的裂紋缺陷可能是由于制造、施工、運輸、裝配或使用過程中產生的，也可能是由于材料本身的缺陷或老化引起的。裂紋缺陷會導致結構的剩余強度降低，甚至引發(fā)斷裂破壞。因此，對含裂紋構件的安全評定是鋼結構設計和維護的重要內容。

（1）含裂紋構件的安全評定一般采用斷裂力學的方法，即根據裂紋尖端的應力強度因子（SIF）或J 積分（J-integral）等斷裂參量與材料的斷裂韌性（KIC或JIC）等斷裂準則進行比較，判斷裂紋是否會擴展或失穩(wěn)。斷裂力學方法可以分為線彈性斷裂力學（LEFM）和彈塑性斷裂力學（EPFM）兩種，前者適用于應變小、塑性區(qū)域小、材料脆性的情況，后者適用于應變大、塑性區(qū)域大、材料韌性的情況。

（2）采用SINTAP-FAD 方法對含裂紋構件進行安全評定。SINTAP-FAD 方法采用失效評定圖（FAD）來表示裂紋尖端的斷裂參量與材料的斷裂準則之間的關系，FAD 是一個以Kr為橫坐標，以Lr為縱坐標的圖形，其中Kr是K與Kmat的比值，Lr是施加載荷與塑性屈服荷載的比值，如圖5 所示。如果裂紋尖端的斷裂參量位于FAD 的左下方，則表示裂紋是安全的，如果位于FAD的右上方，則表示裂紋是危險的；如果位于FAD的邊界上，則表示裂紋處于臨界狀態(tài)。

圖5 失效評定圖（FAD）

3.2 裂紋構件的加固維護措施

對含裂紋構件進行安全評定后，應根據評定結果采取對應的加固維護措施，通常采取裂紋修補，或采取前文所述的加固技術進行局部或全局加固。

（1）裂紋修補和處理。利用裂紋檢測技術（如超聲波檢測、磁粉檢測或滲透檢測）來確定裂紋的確切位置、長度和深度。對于較小的表面裂紋，可以采用焊接填充方法進行修補，使用與原材料相匹配的焊接材料，并確保焊接過程中不產生額外的應力集中。對于深層裂紋，首先需要進行裂紋端部鉆孔，以防止裂紋的進一步擴展。

（2）局部加固措施。對裂紋區(qū)域采用粘貼鋼板或纖維增強復合材料（如碳纖維、玻璃纖維）進行加固，這種方法不僅增加了受損區(qū)域的剛度和強度，而且對原有結構的影響較小。在裂紋區(qū)域采用額外的鋼板進行加固，這要求使用螺栓或焊接將鋼板牢固地固定在原構件上，以提供額外的承載能力。

（3）全局加固措施。對受損構件增加截面，比如通過焊接附加鋼板或型鋼，以提高其整體剛度和承載力。或者采用預應力技術，通過施加預應力鋼索或拉桿，改變構件的內力分布，從而降低裂紋區(qū)域的應力水平。

4 結束語

本文對鋼結構工程項目中鋼結構構件的加固技術和含裂紋構件的安全評定方法進行了探討。提出采用SINTAP-FAD 方法對含裂紋缺陷鋼結構構件進行安全評定，該方法是一種基于失效評定圖的工程評定方法，適用于各種類型和形狀的裂紋缺陷，可以考慮材料的非線性行為和多種工況。通過裂紋評估后，采取相應的鋼結構構件的加固措施。各種加固方式在特定狀況下均有其獨特的優(yōu)勢，但也存在規(guī)定不清、范圍不明等問題，導致各種加固方式應用混亂，效果不理想。因此，建議制定科學有效的施工方案，以充分發(fā)揮技術優(yōu)勢，杜絕質量安全事故，從根本上保證鋼結構建筑的使用安全。