鋼結(jié)構(gòu)加固理論與加固技術

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鋼結(jié)構(gòu)存在嚴重缺陷和損傷或改變使用條件，經(jīng)檢查驗算結(jié)構(gòu)的強度、剛度或穩(wěn)

定性不滿足使用要求時，應對鋼結(jié)構(gòu)進行加固。常見的鋼結(jié)構(gòu)需加固補強的主要

原因有：

（1）由于設計或施工中造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷，如焊縫長度不足，桿件切口過長，使截面削弱過多等等。

（2）結(jié)構(gòu)經(jīng)長期使用，出現(xiàn)不同程度的銹蝕、磨損以及操作不正常等，造成結(jié)構(gòu)缺陷，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面嚴重削弱。

（3）工藝生產(chǎn)條件變化，使結(jié)構(gòu)上荷載增加，原有結(jié)構(gòu)不能適應。

（4）使用的鋼材質(zhì)量不符合要求。

（5）意外、自然災害對結(jié)構(gòu)損傷嚴重。

（6）由于地基基礎下沉，引起結(jié)構(gòu)的變形和損傷。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件加固是一項復雜的工作，要考慮的因素很多。加固方法應從施工方便、不影響生產(chǎn)、經(jīng)濟合理、效果好等方面來選擇，一般原則如下：

（1）加固應盡可能做到不停產(chǎn)或少停產(chǎn)，因停產(chǎn)的損失往往是加固費用的幾倍或幾十倍。能否在負荷下不停產(chǎn)加固，取決于結(jié)構(gòu)的應力應變狀態(tài)。一般構(gòu)件的內(nèi)應力小于鋼材設計強度的80%，且構(gòu)件損壞變形等不是太嚴重時，可采用負荷不停產(chǎn)加固方法。

（2）結(jié)構(gòu)加固方案要便于制作、施工，便于檢查。

（3）結(jié)構(gòu)制造組裝應盡量在生產(chǎn)區(qū)外進行。

（4）連接加固應盡可能采用高強螺栓或焊接。

采用高強螺栓加固時，應驗算鉆孔截面削弱后的承載能力；采用焊接加固時，實際荷載產(chǎn)生的原有桿件應力最好在鋼材設計強度60%以下，極限不得超過80%，否則應采取相應的措施才能施焊。

一、加固方法概述

鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變計算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經(jīng)驗時，也可采用其他的加固方法。經(jīng)鑒定需要加固的鋼結(jié)構(gòu)，根據(jù)損害范圍一般分為局部加固和全面加固。局部加固是對某承載能力不足的桿件或連接節(jié)點處進行加固，有增加桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節(jié)點加固法。全面加固是對整體結(jié)構(gòu)進行加固，有不改變結(jié)構(gòu)靜力計算圖形加固法和改變結(jié)構(gòu)靜力計算圖形加固法兩類。增加或加強支承體系，也是對結(jié)構(gòu)體系加固的有效方法。增加原有構(gòu)件截面的加固方法是最費料最費工的方法（但往往是可行的方法）；改變計算簡圖的方法最有效且多種多樣，其費用也大大下降。

加固結(jié)構(gòu)的施工方法有：負荷加固、卸荷加固和從原結(jié)構(gòu)上拆下應加固或更新的部件進行加固。加固施工方法應根據(jù)用戶要求和結(jié)構(gòu)實際受力狀態(tài)，在確保質(zhì)量和安全的前提下，由設計人員和施工單位協(xié)商確定。

（1）帶負荷加固。施工最方便，也較經(jīng)濟。是用于構(gòu)件（或連接）的應力小于鋼材設計強度的80%時，或構(gòu)件無甚大損壞（破損、變形、翹曲等）的情況下。此時為了使新加固桿件參與受力，有時需要對被加固桿件采取臨時卸荷的措施。另外，在加固時應注意不影響其他構(gòu)件的正常使用。

（2）卸荷加固。適用于結(jié)構(gòu)損壞較大或構(gòu)件和連接的應力狀態(tài)很高，需要暫時減輕其負荷時。對某些主要承受可動荷載的結(jié)構(gòu)（如吊車梁等），可限制其可動荷載，即相當于大部分卸荷。

（3）從原結(jié)構(gòu)上拆下應加固或更新的部件。當結(jié)構(gòu)破壞嚴重或原截面承載力過小，必須在地面進行加固或更新時采用。此時必須設置臨時支撐，使被換構(gòu)件完全卸荷；同時，必須保證被換結(jié)構(gòu)卸下后整個結(jié)構(gòu)的安全。

確定加固方案前，應搜集下列資料：

（1）原有結(jié)構(gòu)的竣工圖（包括更改圖）及驗收記錄。

（2）原有鋼材材質(zhì)報告復印件或現(xiàn)場材質(zhì)檢驗報告。

（3）原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、安裝驗收記錄。

（4）原有結(jié)構(gòu)設計計算書。

（5）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破損情況檢查報告。

（6）現(xiàn)有實際荷載和加固后新增加荷載的數(shù)據(jù)。

二、改變結(jié)構(gòu)計算圖形加固法

改變結(jié)構(gòu)計算圖形加固法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點性質(zhì)和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協(xié)同工作等措施對結(jié)構(gòu)進行加固的方法。改變結(jié)構(gòu)計算圖形的加固過程，除應對被加固結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用極限狀態(tài)進行計算外，尚應注意對相關結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力和使用功能的影響，考慮在結(jié)構(gòu)、構(gòu)件、節(jié)點以及支座中的內(nèi)力重分布，對結(jié)構(gòu)（包括基礎）進行必要的補充驗算，并采用切實可行的合理構(gòu)造措施。采用改變結(jié)構(gòu)計算圖形的加固方法，設計與施工應緊密配合，未經(jīng)設計允許，不得擅自修改設計規(guī)定的施工方法和程序。采用調(diào)整內(nèi)力的方法加固結(jié)構(gòu)時，應在加固設計中規(guī)定調(diào)整內(nèi)力（應力）或規(guī)定位移（應變）的數(shù)值和允許偏差及檢測位置和檢驗方法。

改變結(jié)構(gòu)計算圖形加固法通常采用的具體措施如下：

1 增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度

（1）增加支撐以加強結(jié)構(gòu)空間剛度，采用按空間結(jié)構(gòu)進行驗算，挖掘結(jié)構(gòu)潛力。

（2）加設支撐以增加剛度，或調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

（3）增設支撐或輔助桿件，以減少構(gòu)件的長細比，提高構(gòu)件的穩(wěn)定性。

（4）重點加強某一構(gòu)件的剛度，以承受更多的內(nèi)力，從而減輕其他構(gòu)件的內(nèi)力。

（5）設置拉桿以加強結(jié)構(gòu)的剛度，減少撓度

2 改變構(gòu)件的截面內(nèi)力

（1）變更荷重的分布情況。如將一個集中荷重分為幾個集中荷重。

（2）變更端部的連接。如將鉸接變?yōu)閯偨印?/p>

（3）增加中間支座或?qū)⒑喼ЫY(jié)構(gòu)端部連接使之成為連續(xù)結(jié)構(gòu)。

（4）調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置。

（5）將構(gòu)件變?yōu)閾螚U式構(gòu)架。

（6）施加預應力。

三、加大構(gòu)件截面加固法

采用加大截面加固鋼構(gòu)件時，所選截面形式應有利于加固技術要求并考慮有缺陷和損傷的狀況。加固構(gòu)件受力分析計算簡圖，應反映結(jié)構(gòu)的實際條件，考慮損傷及加固引起的不利變形、加固期間及前后作用在結(jié)構(gòu)上的荷載及其不利組合，對于超靜定結(jié)構(gòu)尚應考慮因截面加大、構(gòu)件剛度改變使體系內(nèi)力重分布的可能，必要時應分階段進行受力分析和計算。采用該方法應注意的事項如下：

（1）注意加固時的凈空限制，使新加固的構(gòu)件不得與其他桿件相沖突。

（2）加固設計應適應原有構(gòu)件的幾何狀態(tài)，以利施工。

（3）應盡量減少施工工作量。當原有結(jié)構(gòu)鋼材的可焊性較好時，根據(jù)具體情況盡

量考慮用焊接加固，并應盡量減少焊接工作量，以減少焊接應力的影響，避免焊

接變形。還應避免仰焊。

（4）加固應盡量使被加固構(gòu)件截面的形心軸位置不變，以減少偏心所產(chǎn)生的彎矩。當偏心值超過規(guī)定時，在復核加固截面時，應考慮偏心的影響。

（5）加固后的截面在構(gòu)造上要考慮防腐的要求，避免形成易于積灰的坑槽而引起銹蝕。

第四節(jié)鋼構(gòu)件的具體加固技術

一、鋼柱的加固

鋼柱通常為軸壓構(gòu)件或壓彎構(gòu)件，結(jié)合其受力特點，應采用以下加固方法。

1 柱子卸荷法

必須在卸荷狀態(tài)下加固或更換新柱時，采取“托梁換柱”方法。

當僅需加固上部柱時，可以利用吊車梁橋架支托起屋蓋屋架，使柱子卸荷。當下部柱需要加固或工藝需要截去下柱時，可在吊車梁下面設一永久性托梁，將上部柱荷載（包括吊車梁荷載）分擔于鄰柱（必須驗算鄰柱并加固之，也要驗算基礎）上。采用此法應考慮到用托梁代替下柱后，托梁將產(chǎn)生一定的撓度，迫使原屋架下沉，從而可能損傷與此屋架相連構(gòu)件的連接節(jié)點。為此可預先在托梁上加臨時荷載!，使托梁具有預先撓度。采用此法的順序是先加固鄰柱、焊接托梁與鄰柱、加臨時荷載!、焊接托梁與中柱、卸下臨時荷載!、加固或截去下部柱。

2 鋼柱加固法

（1）補強柱的截面。一般補強柱截面用鋼板或型鋼，采用焊接或高強螺栓與原柱連接成一個整體。

（2）增設支撐。增設支撐以減小柱自由長度，提高承載能力。在截面尺寸不變的情況下提高了柱的穩(wěn)定性。

（3）改變計算簡圖，減小柱外荷載或內(nèi)力。

（4）在鋼柱四周外包鋼筋混凝土進行加固，可明顯提高承載能力。

3 柱腳加固法

（1）柱腳底板厚度不足加固方法

!增設柱腳加勁肋，以達到減小底板計算彎矩的目的。

"在柱腳型鋼間澆筑混凝土，使柱腳底板成為剛性塊體。為增加粘結(jié)力，柱腳表面油漆和銹蝕要清除干凈。

（2）柱腳錨固不足加固方法

!增設附加錨栓。當混凝土基礎較寬大時采用。在混凝土基礎上鉆出孔洞，插入附加錨栓，澆注環(huán)氧砂漿或硫磺砂漿（孔洞直徑為錨栓直徑"加20mm’’，深度大于30d"）。"將整個柱腳包以鋼筋混凝土。新配鋼筋要伸入基礎內(nèi)，與基礎內(nèi)原鋼筋焊

4 柱加固承載力驗算法

負荷狀態(tài)下加固計算，重要的問題是加固后應力能否重分配，即加固后原有截面能否將原有應力分配到新補強的構(gòu)件截面上去，如能重分配，新老荷載之和，可以平均分配給新老截面上，否則原有荷載仍由原截面承擔，新增加荷載由新老截面（即加固后總截面）平均分擔。到目前為止，加固后應力重分配尚未為實驗所完全證實（至少在彈性階段），可是對靜載結(jié)構(gòu)來說，當截面一部分進入塑性狀態(tài)，應力最終會重分配，所以計算中靜載結(jié)構(gòu)可以新老截面共同工作原則來計算；當在動載結(jié)構(gòu)情況下，塑性區(qū)很難形成，不考慮應力重分配，計算時將加固前和加固后的情況分別計算，然后求其總和。在卸荷情況下加固，就不存在上述問題。

卸荷狀態(tài)下，截面驗算按加固后總截面，并考慮加固折減系數(shù)，按現(xiàn)行規(guī)范計算，即按負荷狀態(tài)下加固截面作用靜力荷載的驗算公式計算，桿架桿件、梁也是如此。