钢结构加固技术的探讨与研究

杨志坤

【摘要】：建国初期，我国开始大量进行过敏建设，全国各地的建筑一涌而起，但当时的条件技术有限，建成的建筑物使用年限有限。经验算后钢结构工程结构的强度、刚度或稳定性不再满足应有的正常工况条件以及其他正常使用要求，大量建筑物需要改造加固。

【关键词】：钢结构加固技术预应力加固

中图分类号：TU391文献标识码： A 文章编号：

引言

钢结构构件在实际使用过程中，常常会由于使用条件的变化、或设计施工中的缺陷造成结构或局部承载能力达不到设计要求、或荷载的增加（增加保温层、增加吊车或增大吊车吨位），或是材料质量有缺陷，或是构造处理不当、或使用过程中的磨损等原因出现结构构件损坏而需要加固。对钢结构构件进行加固的技术措施可以分为两大类：其一是改变结构的计算简图和进行内力调整；其二是对构件及连接进行加固。

一、钢结构加固概述

钢结构加固的主要方法有:减轻荷载、改变计算图形、加大构件截面面积和进行钢结构连接加强、阻止裂纹扩展等。近些年，预应力的技术引进以后，也可以用于钢结构的加固。另外，在条件允许的情况下，也可采用其他的加固技术。长期的专业经验显示，需要加固的钢结构，根据损害范围一般分为局部加固和全面加固。

（1）局部加固，主要是对那些承载能力不足的杆件或连接节点处进行加固处理。最常用的局部加固法有增加杆件截面法和连接节点加固法。

（2）全面加固，主要是对整体结构进行加固处理，主要可以运用不改变结构静力计算图形加固法和改变结构静力计算图形加固法两类。

（3）增加或加强支承体系，也是对刚结构体系加固的一种有效方法。增加原有构件截面的加固方法是最费料最费工的方法;改变计算简图的方法最有效且多种多样，其费用也大大下降。

（4）确定加固方案前，应搜集下列资料：

1)原有结构的竣工图及验收记录；

2)原有钢材材质报告或现场材质检验报告；

3)原有结构构件制作、安装验收记录；

4)原有结构设计计算书；

5)结构或构件破损情况检查报告；

6)现有实际荷载和加固后新增加荷载的数据。

二、钢结构加固原则

钢结构加固原则一般如下：

（1）在进行钢结构加固处理的阶段，应尽可能做到工程不停产或少停产，因为一旦工程停产，其损失一般是加固费用的几倍或几十倍。当构件的内应力小于钢材设计强度的80％，且构件损坏变形等不是太严重时，可采用负荷不停产加固方法，否则，将采用停产加固方法。

（2）结构加固方案要便于制作、施工，便于检查。

（3）结构制造组装应尽量在生产区外进行。

（4）连接加固应尽可能采用高质量螺栓或焊接。

三、钢结构加固技术措施

1.改变结构计算图形

改变结构计算图形的加固方法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法，改变结构计算图形的一般加固方法：

（1）对结构可采用下列增加结构或构件的刚度的方法进行加固：

1）增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；

2)加设支撑增加结构刚度，或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；

3)增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性；

4)在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列负荷；

5)在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。

（2）对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法进行加固：

1)改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载;

2)改变端部支承情况，例如变铰接为刚结；

3)增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构；

4)调整连续结构的支座位置,将结构变为撑杆式结构,施加预应力。

（3）对桁架可采取下列改变其杆件内力的方法进行加固：

1)增设撑杆变桁架为撑杆式结构；

2)加设预应力拉杆。

2.加大构件截面加固法

采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑有缺陷和损伤的状况，必要时应分阶段进行受力分析和计算。采用该方法应注意的事项如下：

（1）注意加固时的净空限制，使新加固的构件不得与其他杆件相冲突；

（2）加固设计应适应原有构件的几何状态，以利施工；

（3）应尽量减少施工工作量。当原有结构钢材的可焊性较好时，根据具体情况尽量考虑用焊接加固，并应尽量减少焊接工作量，以减少焊接应力的影响，避免焊接变形。还应避免仰焊；

（4）加固应尽量使被加固构件截面的形心轴位置不变，以减少偏心所产生的弯矩。当偏心值超过规定时，在复核加固截面时，应考虑偏心的影响；

（5）加固后的截面在构造上要考虑防腐的要求，避免形成易于积灰的坑槽而引起锈蚀。

3.粘贴加固钢结构

粘贴加固钢结构是利用粘结剂将粘贴到钢结构损伤部位的表面，使一部分荷载通过粘结层传递到上，降低了结构损伤部位的应力。粘贴加固技术具有明显的优势：

（1）比强度和比刚度高，加固后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸；

（2）复合材料具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能；

（3）柔性的复合材料对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面具有特别的优势。密封性好，减少了渗漏甚至腐蚀的隐患；

（4）简便易行、成本低、效率高，在狭小空间亦可施工，特别适合现场修复；

（5）施工过程中无明火，适用于各种特殊环境。

4.钢结构连接的加固

1）焊接连接的加固

焊接连接的加固方法有：增加焊缝长度、提高焊缝有效厚度、或者两者同时增加。当上述方法不能满足加固要求时，可采用附加连接板实施加固.加固角焊缝的长度和焊接尺寸或熔焊层的高度，应由连接处加固前后设计受力改变的差值，并考虑原有连接实际可能的承载力计算确定。计算时应对焊缝的受力重新进行分析并考虑加固前后焊缝的共同工作。同时，要尽量避免采用长度垂直于受力方向的横向焊缝，当无法避免时，应采用专门的技术措施和施焊工艺，确保施工时的安全。加固后直角焊缝的强度计算时，可考虑新增焊缝和原有焊缝的共同受力作用。

2）螺栓连接的加固

在以下几种情况下，可以考虑采用螺栓连接加固

（1）不具备焊接连接作业条件（合适的焊接和合格的焊工）；（2）被加固构件用钢不符合可焊性要求（含碳量），只能用螺栓等机械连接加固。；（3）要求加固过程中不产生附加焊接变形的构件。

在选用螺栓连接加固时，应优先采用高强螺栓，因其施工工艺与一般的螺栓相近，但连接性能尤其是承受动荷载的性能明显优于普通螺栓连接，对直接承受动荷载的结构，规范规定必须采用摩擦型高强螺栓连接，因为其在合适的扭拧工具配合下，使其足以保持稳定的预拉力值，连接处通过摩擦面的传力方式的承载能力是稳定可靠的。连接接头位移刚度好，产生滑移后，螺栓进入承压状态，安全可靠。

螺栓连接在操作时必须根据其工作特性，保证接触质量，孔洞附近钢材表面必须清理干净，螺栓直径应比原孔洞小1~3mm。当计算承载力不足时，可采取扩孔措施，改用大直径的螺栓。

当构件截面补强采用螺栓连接时，新旧二部分截面可以按共同工作计算来确定螺栓数量。由于增加的螺栓或扩孔后对原截面有部分削弱，应该核算其净截面强度。

5.预应力加固钢结构技术

（1）预应力加固的优点

加固工作可在不卸载、不停产的条件下进行;

2）施加预应力可直接减小变形，迅速消除超逾应力和内力峰值；

3）与非预应力方式相比，可消除应力滞后现象，充分利用的高强特性，提高加固效率。

4）结合可靠锚固，可降低粘结界面的剥离应力，避免整体剥落，提高加固的可靠性；

5）降低加固费用和使用成本。

（2）预应力加固钢结构施工工艺

（3）预应力体外束加固施工和监控

1张拉端部和转向块的安装

张拉端部由于应力集中，所以应安装好各组件。先在钢边梁的腹板上缘按照图纸要求钻孔。对应孔位，安装钢垫板，焊接固定。在钢垫板上焊接加劲板以及张拉垫块。由于需保持预应力束由折线点至张拉端点为直线，且钢边梁与体外预应力束同样也呈60°夹角，所以钢垫快应切削成非正六面体形，以保证锚具接触面与预应力束型的正交。钢边梁的后侧设置加劲板。由于每个张拉端节点有两个锚具，应合理调整加劲板的位置，不至于遮挡预应力束的安装。

2）体外预应力束的固定

由于松弛的钢铰线与张拉过后的钢铰线在径向长度上有一定的差值，所以外套镀锌管应具有一定的长度调节能力。采用三段镀锌钢管组成整个完整的折线形。中间一段为弯折段，预先按照放样弯折到位，两端为直线段，各段之间依靠接头形成可靠连接。接头与镀锌管之间有约100mm的余量控制，可先预先缩短，在张拉完成后旋开，使镀锌管与张拉端头结合紧密。 预应力钢铰线穿入镀锌管后，整体安装到位，装上锚具并预张拉5%检查各构件以确保整体安装到位。

3）体外预应力束的张拉

用千斤顶进行两端张拉，各体外束的张拉应分级进行。为确保加固的安全性，将设计的张拉力分为 33%、66%、100%三级完成。每级张拉采用同一顺序循环进行。每级张拉完成后，观察张拉端以及转向块情况，并进行反拱实测。完成后，再进行下一级张拉。

结语

在钢结构建筑物或者构筑物的建设过程中，各种缺陷和损伤是无法避免的。在建成以后的使用过程中，由于荷载和环境等因素的影响，钢结构的材料发生潜移默在的变化，导致材料宏观力学性能的下降，从而导致钢结构工程事故的发生。为确保钢结构能够满足正常使用的要求，延长其使用寿命，就必须对损伤构件进行加固或者更换。但是倘若所有的构件都进行更换，将造成极大的资源浪费，甚至有可能会影响结构的正常使用。同时，结构损伤具有局部性和多发性特点，这些结构不可能在出现损伤时就立即退役。因此，寻求经济高效的钢结构加固技术既是土木工程领域亟待解决的技术问题，又是一个关系到社会可持续发展的问题。

参考文献

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