钢结构加固方法研究进展

2018-05-10李佳临李俊麒

建筑与装饰 2018年5期

李佳临李俊麒

中国城市建设研究院有限公司北京 100120

1 传统加固方法

传统钢结构加固的原则是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，充分考虑空间协同工作。在结构上增加支撑形成空间，调整结构的自振频率，提高结构承载力、改善结构动力特性和增加辅助杆件，减少钢结构中的长细比，以及加强排架架构中某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，减轻其他柱列的负荷。对受弯杆件可将一个集中载荷载转化为多个集中荷载，改变端部支撑情况，比如变铰接为刚接、增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构、调整连续结构的支座位置等，增加稳定性[1]。

图1 在桁架中假设预应力拉杆

2 钢结构加固技术及其应用研究

2.1 增大横截面焊接加固法

增大横截面法是一种基本的加固方法，尤其是在承载条件下，考虑焊接加固施工的便捷性和可靠性，往往是钢结构加固中最传统也是最直接的选择。长期以来，承载条件下焊接加固钢结构工作是按照CECS77∶96和YB9257-96《钢结构检测评定及加固技术规程》两本标准进行的，但由于两者应力比限值及相关参数的取值上的差异，缺乏充分的实验基数和数值分析，还存在着诸多不合理之处。基于此，国标《钢结构加固设计规范》编制组开展了承载条件下焊接加固钢结构构件承载性能的研究工作，以提供增大截面焊接加固法的基础数据和理论支持，包含新的技术要点。

2.2 粘贴钢板加固法

粘贴钢板加固法又称粘钢加固技术，其流程是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴加固钢板，使之黏结形成整体，共同承载，提高结构的稳固能力。从国内部分学者对粘钢加固技术的试验研究来看，该技术具有无明火、作业面小、不影响结构外形等一系列优点，但是由于加固件与被加固件连接界面的受力复杂，容易在各种因素的作用下发生开裂，而且加固效果过于依赖结构胶层的作用发挥期，此方法在工程界受到一定程度的质疑。因此当前研究发展的方向，主要还在于如何提高结构粘胶的黏性和稳定性，确保其在实际工程应用中的安全。

2.3 粘贴纤维增强复合材料加固法

纤维增强复合材料的优点主要有强度大于刚度、抗疲劳性和耐腐蚀性好、现场可操作性强、施工周期短、保护原结构等等，而且因其优异的物理、力学性能，目前已广泛用于混凝土结构和砌体结构的加固之中。迄今为止，国内外学者对纤维增强复合材料在钢结构加固领域中的应用已展开了大量的研究工作，国外的研究主要集中于受弯构件承载性能及疲劳加固方面；而国内则侧重于受弯构件和受拉构件黏结加固的试验研究，结合粘贴面的受力机制，得到了碳纤维布拉伸应变、黏结剪应力和有效黏结长度的计算公式，为粘贴纤维增强复合材料加固方法提供了理论支持。

2.4 组合加固法

组合加固法是利用组合结构加固混凝土的原理，采用内填混凝土和外包混凝土的方式对钢结构进行加固。内填混凝土加固法主要用于加固钢管构件，使结构负载尽可能的卸除，但是在大多数情况下，由于初应力水平对结构构件承载力的影响，初始荷载难以卸除，也导致了外包混凝土在进行加固时，由于原构件所承受的荷载水平出现应力滞后的现象。为便于设计人员在加固中使用，两种组合加固法可以采用强度折减系数的概念，基于已有的研究成果，建立强度折减系数与初应力水平的量化关系，从而对加固后截面的承载能力进行折减。

2.5 预应力加固法

钢结构预应力加固的原理是利用预应力钢绞线对钢结构整体或构件进行加固的方法，其本质是通过施加预应力降低原钢结构应力水平，从而改变原钢结构中的内力分布。对钢结构施加预应力进行加固主要适用于较大跨度及采用一般方法无法加固或加固效果不理想的较高应力、应变状态下的大型钢结构加固工程，可以达到加固原有钢结构，改变原结构刚度与内力的效果，施工方便、成本低廉、预应力束可以单独防腐或是更换。预应力加固法在施工过程中的一些关键问题，比如预应力筋拉张程度、典型钢结构构件和节点中的锚固方式等，目前是我国科研人员实验研究的重点。

2.6 含裂纹构件的安全评定

钢结构设计中明确规定不能使用已产生裂纹的钢结构，对于既有钢结构中已经出现的裂纹，应结合断裂力学和损伤力学对含裂纹构件进行安全评定并对其加固。比如一些特别重要或者特殊的结构构件和结构中关键的连接节点，可以给予抗断评估结果来确定构件是否需要加固，如板厚大于50毫米的厚板或超厚板构件和节点、承受较大冲击荷载的构件和节点、低温和疲劳共同作用的构件和节点、强腐蚀或强辐射环境中的构件和节点等。这一思路还仅适用于解决个别工程，应进一步开展相关研究工作，力求通过规范，将有效抗断评估简单化。