钢结构工程加固技术的应用与发展

刘志强，仉明坤，刘华伟，张弛

（1、山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛，266590 2、山东科技大学审计处，山东青岛，266590）

钢结构工程加固技术的应用与发展

刘志强1，仉明坤1，刘华伟2，张弛1

（1、山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛，266590 2、山东科技大学审计处，山东青岛，266590）

在工业与民用建筑中，钢结构的应用已经变得十分广泛，但由于在设计不当、施工不合理、遭受不可抗力影响或者耐久性下降的情况时有发生，这就要求对钢结构工程进行加固，为了使钢结构工程加固技术可靠、施工简便、经济适用并确保工程质量，本文围绕这一主题对钢结构工程的加固与应用进行探讨。

钢结构；加固技术；碳纤维；施工工艺

1 引言

钢结构具有轻质高强、抗震好、可塑性好、能够循环利用等优异的特点，被广泛的应用在建筑工程中，但由于钢结构工程在设计不当、施工不合理、自然灾害损坏、耐久性下降等情况下需要进行加固设计。在钢结构加固工程中，常常采用的方法是将附加钢板通过焊接、铆接、螺栓连接与需要加固的钢结构构件进行组合。虽然这些加固方法很常见，但是有些缺点是很难改变的：在焊接时，焊点高温作用下会使得钢结构内部出现焊接残余应力，产生残余应力后会对钢结构的承载力产生不利的影响；采用螺栓连接时，必须在母材上面打孔，也会形成应力集中，对截面造成了削弱；通过附加钢板势必也会增加结构重量，对结构本身也不利。

其次，碳纤维加固技术应用也是比较广泛的，它轻质高强、施工操作也很方便，对于传统做法中存在的缺陷可以很好的得到解决。碳纤维复合材料还具有其他材料不具有的优点：首先，纤维复合材料具有超强的抗拉强度，其抗拉强度接近高强度的预应力钢筋，而且还具有很强的抗疲劳强度。使用纤维复合材料后，能够有效的提高钢结构的抗震性能以及防腐性，适合对盐碱度高的近海钢结构工程加固。

2 钢结构加固原则

2.1在对钢结构进行加固施工时，要尽量保证生产的正常运行，因为停车造成的损失远远高于加固产生的费用。

2.2 对于钢结构加固制定的施工预案要有利于现场施工和检查工作。

2.3 结构的组装工作要避免在生产区内进行。

2.4 对于加固点要进行详细的计算并且要尽量采用强度较高的螺栓或者才有焊接。

3 钢结构加固方法

对于钢结构工程的加固方法主要有以下几种：

3.1 增大构件截面加固。运用此加固方法时，必须要根据现有构件出现的损伤与缺陷程度来适当的确定截面形式，以便增强构件的稳固程度。

3.2 加固件的连接。对于钢结构的连接方法，即焊接连接、铆钉连接、普通螺栓连接和髙强度螺栓连接方法等，必须根据结构本身的需求、加固的原因、目的、受力分析、构件损伤程度、施工条件、并考虑原结构连接方法制定。

3.3 更改原结构的计算简图。改变结构的计算图形加固方法就是说采用改变原有荷载分布情况，包括力的传递、节点、边界条件等，加设附件杆与支撑杆，还要考虑空间协同工作的措施以便调整原结构中应力的分布，使得加固构件的内力发生改变的一种加固方法。一般的方法为：一是对于钢结构工程往往是采用提高刚度的工艺来加固：

3.3.1 添加支撑系统以便形成空间结构，并且要按空间结构来验算，增大结构的空间刚度，挖掘结构潜力。

3.3.2 添加支撑增加结构的刚度，也可以通过调整结构的自振频率来增大承载能力和结构的抗震性能。

3.3.3 为了提高稳定性，可以用增加支撑来的方法来减小长细比。

3.3.4 在钢排架结构加固时，对某一个列柱要重点加强，以便能够承受主要的水平力，放松其它的柱荷载。

3.3.5 对于钢结构塔架设施的加固，常常设置拉杆，用松紧适度的拉锁来增强结构的刚度，以便减小挠度。

二是对于钢结构的受弯杆件采用以下的改变其截面弯矩的方法来进行加固：

3.3.6 可以通过改变荷载分布的方法，譬如把集中力转化为分布力，转换节点的支撑情况，把交接点变为刚接接。

3.3.7 调整连续结构的支座位置。

3.3.8 将结构调整为撑杆式结构、施加预应力。

三是对钢结构桁架使用下列改变杆件的内力方法进行加固：

3.3.9 添加撑杆变为桁架撑杆结构。2)加设预应力的拉杆。

3.4 钢结构表面出现裂纹后裂纹的修复及其加固。结构或者某个构件在反复工作情况下，或者设计不当及施工不合理都会形成扩展性的裂纹，在加固之前，首先要分析裂纹形成的原因，再进行有针对性的改善，并提出有针对性的加固措施，不易加固的可以拆除更新结构。

图1 钢柱柱脚附加焊接钢板

图2 钢结构施工不当造成倾覆

4 预应力技术加固钢结构方法

4.1 原有的钢结构工程加固中存有的弊端：增大钢结构自重，钢板形状不宜加工，制作、组装、运输费用高，而且钢板容易腐蚀生锈。

4.2 对于粘贴加固法在钢结构加固中的特点：比强度与比刚度很高，对于原有构件的尺寸和构件的重量增加很小，可以忽略不计；复合材料对于抗疲劳和抗震有着良好的性能；而且结构的密封性能够得到保证，这就有力的解决了渗漏的问题；能够有效的降低工程的费用，而且适合在不大的空间下进行施工，且无名火，在特殊环境下也能施工。

4.3 预应力方法对钢结构进行加固的特点：在进行钢结构工程加固时可以在生产的状态下进行施工；在对钢结构施加预应力时可以减小变形，内力峰值变小，与其它的相比，能避免滞后的现象。

5 碳纤维加固技术

5.1 将碳纤维直接粘贴在钢结构受弯构件的受拉底部，使得碳纤维与受拉部位能够在受力时共同工作，从而能够提高梁的承载力。碳纤维可以加工成各种形状，对于不规则的钢结构构件都是非常实用的，包括工字型截面钢梁、钢板梁、矩形钢梁、钢与混凝土组合梁等等。通过相关试验表明，钢结构在通过采用碳纤维加固后，能够提高梁的抗弯性能，这些都与所使用的碳纤维的弹性模量、钢结构本身的弹性模量以及纤维量都有一定的关系。但是由于碳碳纤维的弹性模量与钢材相近，在受力达到屈服的时候，碳纤维只具有200兆帕的强度，并没有达到碳纤维可利用率，其优势在于钢结构加固中没有发挥作用。5.2而对于有所损伤钢梁，利用碳纤维进行加固，能够很有效的回复钢结构损失的刚度与承载能力，并且有效的保护钢结构不被腐蚀。在进行钢结构的粘贴碳纤维时，将碳纤维粘贴到钢材损伤部位表面位置，将荷载通过胶带层传递到碳纤维结构，降低钢结构的损伤，阻止裂纹的继续扩展，从而延长钢结构的使用周期。

图3 钢结构加固中常用的碳纤维布材料

6 钢结构工程加固具体施工工艺

6.1 在钢结构进行加固时，可以采用加大截面的方法，并且保证结构的加固构件能够有着合理的传递路径，这样的话就有效的保证了加固构件与原结构的共同受力，对于轴心受力和偏心受力的钢结构构件，加固构件与原有结构的构件支座必须有着可靠的连接方式这样就可以有力的保证原有的力学传递路径不会被。

6.2 通过优化减少加固工程的施工量。对于原有结构的连接方式，不管是焊接还是螺栓连接，都是有一定的可焊性的，优先选用焊接的方式进行加固补强。在加固中采用的是焊接补强的时候，尽量的减少焊接的工程量，以免造成焊接应力集中，并且严格遵守焊接顺序。当钢结构结构在附加荷载的作用下进行焊接的时候，尽量减小焊接尺寸，优先加固对原有结构影响较小的或者截面形式薄弱的位置。

6.3 若是采用加大截面的方法对钢结构工程进行加固，那么不可以过多的对原有的结构的截面面积进行削减，保持原有结构的承载能力，对于采用高强度螺栓的连接，要尽量的用较小的螺栓以防止截面的削弱大。在用螺栓连接对钢结构工程进行加固加大截面的时候，必须将钢结构和加固构件相互压紧，要尽可能的使用强度高的螺栓，而且要保证加固构件和原有的结构之间的共同工作，要确保加固件与原结构的共同性。在选用焊接加固刚结构工程的时候，应力方向与焊缝的方向要避免垂直，以免造成焊缝应力过大。对于上面的要求在无法满足的情况下，为了保证钢结构工程加固的安全性，要在施工前做好详尽的安全保护施工措施，制定好相关的施工预案，在施工的时候要采用专门的技术措施保证施工的安全可靠。

6.4 当在负荷的状态下进行钢结构工程的加固时,采用的加固工艺要保证加固件的外表面不会有焊接加热，在附加空洞引起截面消弱的时候，必须尽量制定更加详细的施工方法，施工工艺与过程必须严格按照规范规定，技术可行、方案合理、安全有保证，并且对隐蔽工程要按照相关的标准进行实施的严格验收工作。

6.5 当在负荷的状态下进行钢结构工程的加固时,与构件截面有对称焊缝的时候，要尽量采取平行的焊缝，在存在当有多条焊缝的时候，进行交错焊接，对于有些结构两面都有加固件的截面，应该先对受拉构件进行加固，然后焊接受压的构件，对于一端为嵌面受压杆件的时候，必须要从嵌固端向另一端进行施焊。

6.6 对于当采用加大截面法对钢结构工程进行加固的时候，有两个以上构件的静不定结构时,必须将原结构与加固构件进行焊接定位，然后从最大的受力构件连续的进行焊接加固。

7 结语

在建筑工程中的钢结构工程会在各种原因下出现损伤或者缺陷，最终造成钢结构工程的失效，不能正常、安全的工作，使用寿命也会受到损害，钢结构的损伤具有局部与整体的不同特点，要延长使用寿命就必须对损伤构件进行更换或加固，更换这些构件将造成极大的浪费，而且会影响结构的正常使用，所以说，找到一个既经济又高效的加固方案是土木工程方向一个急需解决的问题。

[1]程江敏,程波.钢结构加固方法研究进展[J].钢结构,2012,(11): 1-7.

[2]陈华,蒋东锋,黄文波.碳纤维片材在钢结构加固中的应用[J].大众科技,2010,(8):56-57.

[3]李建恒.钢结构加固技术研究综述[J].门窗,2014,(6):46-48.

Application and Reinforcement of Steel Structure Engineering

LIU Zhiqiang，ZHANG Mingkun，LIU Huawei，ZHANG Chi
（1、Civil engineering and Architecture College，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong；2、Auditting Department,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong）

In the industrial and civil buildings,the application of steel structure has become very common,but due to the improper design,construction is not reasonable,and affected by the force majeure or durability decrease occurs from time to time, which requires the steel structure engineering reinforcement.in order to make steel structure engineering reinforcement technology, simple construction,reliable economic applicable and ensure the quality of the project,this paper focuses on the theme of steel structure engineering to discuss the reinforcement and the application of steel structure engineering.

steel structure;reinforcement;carbon fiber;technology application

TU391

A

1671-5004（2015）04-0017-03

2015-4-1

刘志强（1989-），男，山东烟台人，山东科技大学在读硕士，研究方向：建筑与土木工程；仉明坤（1988-），男，山东寿光人，山东科技大学在读硕士，研究方向：结构设计理论与应用；张弛（1992-），男，江西南昌人，山东科技大学在读硕士，研究方向：结构设计理论与应用。