钢结构新型加固技术研究分析

陈学雷申　磊韩俊莉郑州市市政工程勘测设计研究院（450046）河南省交通科学技术研究院有限公司（450006）河南中建工程设计咨询有限公司（450000）



钢结构新型加固技术研究分析

陈学雷1申磊2韩俊莉3
1郑州市市政工程勘测设计研究院（450046）2河南省交通科学技术研究院有限公司（450006）3河南中建工程设计咨询有限公司（450000）

摘要:近年来，国内外在钢结构加固设计领域开展了广泛的研究,大量的试验研究和数值模拟不断创新钢结构加固设计。但是我国1996年批准颁布使用的CECS 77:96《钢结构加固技术规范》年限较久，并且仅仅局限于焊接加固等传统方法。本文通过对国内外的相关研究进行总结，对钢结构加固工程的新型加固技术方法进行了分析与研究。

关键词:钢结构；FRP加固；连接节点加固；结构计算图形

0引言

钢结构的延展性能、塑性及韧性好，具有优良的抗震和承受荷载能力，大大提高了钢结构建筑的安全可靠性。正是基于这些优点，钢结构广泛应用于工业和民用建筑。但是，钢结构在设计、制造、施工过程中可能产生各种缺陷，会因超载、锈蚀、疲劳等原因引起损伤累积，从而影响结构的安全，需要对钢结构进行加固设计[1]。如何采取有效措施对钢结构进行加固处理以达到其功能上的要求，是工程技术人员面临的一个重要的问题。

1钢结构加固原则

钢结构加固工程是一项非常复杂的工程。钢结构加固应从施工方法简便、经济合理、不影响正常生产、加固效果能够达到预期目标等方面来考虑。钢结构工程加固的一般原则[2]有以下几条:

1）当钢结构鉴定结果显示可靠性不满足正常使用要求时，必须对钢结构工程进行加固处理。

2）钢结构加固后的结构安全等级应根据钢结构破坏造成后果的严重程度、钢结构的重要性和在正常使用情况下的具体要求而定。

3）在钢结构加固施工过程中一般来说要做到尽可能不停产或少停产，要达到该要求取决于要加固的钢结构在加固施工过程中的应力应变状态，一般构件应力应小于钢材设计强度的80%左右[3]。

4）钢结构工程的加固设计应该考虑与实际施工方法紧密结合，并采取有效的措施，保证新增的截面、构件和部件与原结构的连接可靠有效,可以达到新增部件和原有结构成为整体后能够共同工作的目的。

5）对于由于冷脆、振动、高温、腐蚀、地基不均匀沉降等外部和内部原因造成的钢结构损坏，应提出相应处理措施后再进行加固施工。

6）在加固施工进行前，应采取临时应对技术措施和安全措施，以防止加固时可能会出现钢结构倾斜、失稳及倒塌等不安全因素，以免在加固过程中产生不安全的事故。

2钢结构新型加固方法

2.1改变结构计算图形

改变结构计算图形的实质是改变结构的传力体系。钢结构的改扩建大部分是在不停产的条件下进行的，钢结构体系调整受到许多因素制约。因此，采取改变结构计算图形的加固改造项目具有各自不同的工程特点。

苏庆田等[4-5]对宝钢二号锅炉炉体框架的加固，将37.2 m和45.4 m两层最外侧框架梁连接起来形成一个桁架，并在9.7 m框架梁集中荷载作用处增设柱子,使结构计算图形发生改变。经过内力计算和结构验算，整体炉体框架的各构件均满足强度和稳定性要求。其加固前后的效果如图1~2所示。

图1宝钢二号高炉加固前炉体框架结构图

图2宝钢二号高炉加固后炉体框架结构图

陈耀等[6]在某医院大厅新建钢结构加固工程中采用的体外预应力技术。这种技术是将预应力筋布置在待加固构件的截面之外，通过改变结构的传力路径，从而减少构件的荷载效应。这种技术是一种改良原结构承载能力的加固技术，不仅改善了梁的承载能力，还改善了构件的变形性能。由于其施工简单、投资较少、在国内外的一些工程实践中，逐渐被推广使用。

综上所述，改变结构计算图形被广泛应用于钢结构改扩建工程中，其技术手段要结合各方因素综合考虑。在加固设计过程中，除应对被加固结构承载力和正常使用极限状态进行计算外，还应注意其对相关结构构件承载能力和使用功能的影响，对结构及基础进行必要的补充验算，并采取切实可行的合理构造措施。

2.2构件截面加固

构件截面加固的实质是通过增加构件截面面积来加大构件刚度，实现钢框架整体承载能力的提高。加固方式复杂多样，因此了解不同加固方法的特点对加固设计方案的选取十分必要。

图3框架梁加固

图4梁间支承加固

图5框架柱加固

FRP材料加固修复钢结构是将FRP板(或布)粘贴到钢结构构件损伤部位,提高或改善其受力性能。FRP材料加固修复钢结构主要有以下几种形式:

1）在梁的受拉面粘贴FRP片材，提高梁的抗弯承载力和抗弯刚度；

2）在梁的腹板粘贴FRP片材，提高梁的抗剪承载力；

3）FRP布环向缠绕钢管柱，避免钢管的局部失稳，提高柱的抗压承载能力。卢亦焱、Bocciarelli、邓军等[7-10]通过相关实验研究了纤维复合材料对钢结构的加固效果，研究结果表明:复合材料对钢结构具有较好的加固效果，但是，胶黏剂材料是FRP加固钢结构的薄弱环节，开发高性能、低成本、适用于钢结构加固的胶黏剂材料是FRP加固钢结构技术推广的关键。

2.3连接节点加固

连接节点加固是钢结构改扩建中最复杂的一个环节，其技术措施主要有焊缝加固、粘钢加固、碳纤维加固、套管加固和肋板加固等。钢结构加固连接点方法的选择，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状态及施工条件，考虑钢结构原有的连接方法确定。在同一受力部位连接的加固中，不宜采用刚度相差较大的加固措施。

Kim等[11]对盖板加固和翼缘板加固钢框架节点进行了试验研究和非线性有限元分析。分析表明，盖板加固和翼缘板加固能有效增加梁柱节点的承载力；在防止脆性破坏方面，盖板加固作用效果更显著；矩形板加固效果优于梯形板，加固钢板和梁翼缘之间应该采用3面围焊；由于需要采用大量角焊缝，并且梁剪力将通过板传递到柱，不推荐使用厚加固钢板减小柱表面应力。

相关研究人员对碳纤维布加固连接节点方面也开展了研究。晏丽等[12]通过碳纤维布加固钢梁高强度螺栓拼接节点的静载试验，考察了纯弯曲荷载条件下碳纤维布的加固效果和节点的最终破坏形态，并通过有限元分析了碳纤维布加固的螺栓节点对钢梁的屈服荷载和刚度的影响。结果表明，钢梁屈服后，碳纤维发挥作用，加强了螺栓连接的节点，有效降低了螺栓孔边缘的应力水平，提高了钢梁的极限承载力和安全储备。

自从美国北岭地震以来,盖板加固被广泛研究。盖板加固能防止节点的脆性破坏，盖板的不同布置方式及形状是节点加固的主要设计因素；相比于其他的加固方法，碳纤维布加固不仅能提高构件的承载力，也避免了焊接残余应力对既有结构的损伤。

3结论与展望

尽管钢结构加固方法众多，但是在选择具体的加固方案时，要根据结构特点、工作环境、施工条件、经济效益等综合考虑。虽然当前钢结构加固研究已经取得了比较大的成果，但是还有很多不足之处，限制了这些加固方法的应用，因此还需要开展更深入的针对性研究。

参考文献:

[1] CECS77:96.钢结构加固技术规范[S].北京:中国计划出版社,1996.

[2]袁迎曙,余索.锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能退化[J].建筑结构学报,2007(8):51- 57.

[3] Teng Zhiming, Zhang Hequi. Experimental Study of Splitting Bond Failure and Development of Reinforcing Barsin Beams[J].Tsinghua University,1998.

[4]苏庆田,张其林,但泽义等.宝钢二号高炉炉体框架的加固设计[J].建筑结构学报,2003,24(5):31- 35.

[5]苏庆田,张其林,但泽义等.宝钢二号高炉炉体框架的加固验算[J].钢结构,2002,17(6):54- 56.

[6]陈耀,蔡建国,冯健等.某医院大厅新建钢结构工程加固设计[J].钢结构2009,24(1):37- 40.

[7]卢亦焱,张学朋,唐志宇.碳纤维布与钢板黏结复合材料徐变性能试验研究[J].建筑结构学报,2011,32(9):123- 129.

[8]卢亦焱,张号军,刘素丽.碳纤维布与钢板黏结剪切性能研究[J].土木工程学报,2006,39(10):1- 5,18.

[9] Bocciarelli Massimiliano,Colombi Pierluigi,Fava Giulia,etal. Fatigue Performance of Tensile Steel Members Strengthened with CFRP Plates[J].Composite Structures,2009,87(4):334-343.

[10]邓军,黄培彦.CFRP板与钢梁粘接的疲劳性能研究[J].土木工程学报,2008,41(5);14- 18.

[11] KimT ,Whittaker AS, Gilani ASJ.Experimental Evaluation of Plate- Reinforced Steel Moment- Resisting Connections [J].Journal of Structural Engineering,2002,128(4):483- 491.

[12]晏丽,李慧剑,高柏峰等.碳纤维布加固钢梁拼接节点的试验研究和有限元分析[J].工业建筑,2008,38(3):109-111.