鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

摘要：鋼結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重缺陷和損傷或改變使用條件，經(jīng)檢查驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性不滿足使用要求時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 銹蝕 變形 加固設(shè)計(jì)
一、概述
鋼結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重缺陷和損傷或改變使用條件，經(jīng)檢查驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性不滿足使用要求時(shí)，應(yīng)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)需加固補(bǔ)強(qiáng)的主要原因有：（1）由于設(shè)計(jì)或施工中造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷，如焊縫長(zhǎng)度不足，桿件切口過(guò)長(zhǎng)，使截面削弱過(guò)多等等。（2）結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)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(yán)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(yīng)。（4）使用的鋼材質(zhì)量不符合要求。（5）意外、自然災(zāi)害對(duì)結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。（6）由于地基基礎(chǔ)下沉，引起結(jié)構(gòu)的變形和損傷。
二、設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備
確定加固方案前，應(yīng)搜集下列資料：（1）原有結(jié)構(gòu)的竣工圖（包括更改圖）及驗(yàn)收記錄。（2）原有鋼材材質(zhì)報(bào)告復(fù)印件或現(xiàn)場(chǎng)材質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告。（3）原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、安裝驗(yàn)收記錄。（4）原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)。（5）結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破損情況檢查報(bào)告。（6）現(xiàn)有實(shí)際荷載和加固后新增加荷載的數(shù)據(jù)。
三、加固設(shè)計(jì)原則
結(jié)構(gòu)或構(gòu)件加固是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，要考慮的因素很多。加固方法應(yīng)從施工方便、不影響生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)合理、效果好等方面來(lái)選擇，一般原則如下：（1）加固應(yīng)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(fèi)用的幾倍或幾十倍。能否在負(fù)荷下不停產(chǎn)加固，取決于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。一般構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，且構(gòu)件損壞變形等不是太嚴(yán)重時(shí)，可采用負(fù)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(yīng)盡量在生產(chǎn)區(qū)外進(jìn)行。（4）連接加固應(yīng)盡可能采用焊接或高強(qiáng)螺栓。 采用焊接加固時(shí)，實(shí)際荷載產(chǎn)生的原有桿件應(yīng)力最好在鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度60%以下，極限不得超過(guò)80%，否則應(yīng)采取相應(yīng)的措施才能施焊。采用高強(qiáng)螺栓加固時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算鉆孔截面削弱后的承載能力。
四、加固設(shè)計(jì)方法
鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有：減輕荷載、改變計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。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(duì)某承載能力不足的桿件或連接節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加固，有增加桿件截面法、減小桿件自由長(zhǎng)度法和連接節(jié)點(diǎn)加固法。全面加固是對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，有不改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法和改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法兩類。增加或加強(qiáng)支承體系， 也是對(duì)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(fèi)料最費(fèi)工的方法（但往往是可行的方法）；改變計(jì)算簡(jiǎn)圖的方法最有效且多種多樣，其費(fèi)用也大大下降。
（一）改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形加固法。改變結(jié)構(gòu)計(jì)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(diǎn)性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法。改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固過(guò)程，除應(yīng)對(duì)被加固結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算外，尚應(yīng)注意對(duì)相關(guān)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(diǎn)以及支座中的內(nèi)力重分布，對(duì)結(jié)構(gòu)（包括基礎(chǔ)）進(jìn)行必要的補(bǔ)充驗(yàn)算，并采用切實(shí)可行的合理構(gòu)造措施。采用改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固方法，設(shè)計(jì)與施工應(yīng)緊密配合，未經(jīng)設(shè)計(jì)允許，不得擅自修改設(shè)計(jì)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(shí)，應(yīng)在加固設(shè)計(jì)中規(guī)定調(diào)整內(nèi)力 （應(yīng)力）或規(guī)定位移（應(yīng)變）的數(shù)值和允許偏差及檢測(cè)位置和檢驗(yàn)方法。改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形加固法通常采用的具體措施如下：1.對(duì)結(jié)構(gòu)可采用下列增加結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度的方法進(jìn)行加固：①增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)并按空間結(jié)構(gòu)驗(yàn)算；②加設(shè)支撐增加結(jié)構(gòu)剛度，或者調(diào)整結(jié)構(gòu)的自振頻率等以提高結(jié)構(gòu)承載力和改善結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；③增設(shè)支撐或輔助桿件使結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比減少以提高其穩(wěn)定性；④在排架結(jié)構(gòu)中重點(diǎn)加強(qiáng)某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列負(fù)荷；⑤在塔架等結(jié)構(gòu)中設(shè)置拉桿或適度張緊的拉索以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度。2.對(duì)受彎桿件可采用下列改變其截面內(nèi)力的方法進(jìn)行加固：①改變荷載的分布，例如將一個(gè)集中荷載轉(zhuǎn)化為多個(gè)集中荷載；②改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結(jié)； ③增加中間支座或?qū)⒑?jiǎn)支結(jié)構(gòu)端部連接成為連續(xù)結(jié)構(gòu)；④調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置；⑤將結(jié)構(gòu)變?yōu)閾螚U式結(jié)構(gòu)；⑥施加預(yù)應(yīng)力。3.對(duì)桁架可采取下列改變其桿件內(nèi)力的方法進(jìn)行加固：①增設(shè)撐桿變桁架為撐桿式結(jié)構(gòu)；②加設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿。 
（二）加大構(gòu)件截面加固法。采用加大截面加固鋼構(gòu)件時(shí)，所選截面形式應(yīng)有利于加固技術(shù)要求并考慮有缺陷和損傷的狀況，必要時(shí)應(yīng)分階段進(jìn)行受力分析和計(jì)算。采用該方法應(yīng)注意的事項(xiàng)如下：（1）注意加固時(shí)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(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)原有構(gòu)件的幾何狀態(tài)，以利施工。（3）應(yīng)盡量減少施工工作量。當(dāng)原有結(jié)構(gòu)鋼材的可焊性較好時(shí)，根據(jù)具體情況盡量考慮用焊接加固，并應(yīng)盡量減少焊接工作量，以減少焊接應(yīng)力的影響，避免焊接變形。還應(yīng)避免仰焊。（4）加固應(yīng)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(dāng)偏心值超過(guò)規(guī)定時(shí)，在復(fù)核加固截面時(shí)，應(yīng)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。
（三）連接的加固與加固件的連接。鋼結(jié)構(gòu)連接方法，即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接方法的選擇，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)需要加固的原因、目的、受力狀況、構(gòu)造及施工條件，并考慮結(jié)構(gòu)原有的連接方法確定。鋼結(jié)構(gòu)加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接，有依據(jù)時(shí)亦可采用焊縫和摩擦型高強(qiáng)度螺栓的混合連接。當(dāng)采用焊縫連接時(shí)，應(yīng)采用經(jīng)評(píng)定認(rèn)可的焊接工藝及連接材料。
參考文獻(xiàn)：
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