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鋼結構加固理論與加固技術

更新時間:2019-04-13 09:19   點擊次數:

鋼結構存在嚴重缺陷和損傷或改變使用條件,經檢查驗算結構的強度、剛度或穩

定性不滿足使用要求時,應對鋼結構進行加固。常見的鋼結構需加固補強的主要
原因有:
    (1)由於設計或施工中造成鋼結構缺陷,如焊縫長度不足,杆件切口過長,使截麵削弱過多等等。
    (2)結構經長期使用,出現不同程度的鏽蝕、磨損以及操作不正常等,造成結構缺陷,使結構構件截麵嚴重削弱。
    (3)工藝生產條件變化,使結構上荷載增加,原有結構不能適應。
    (4)使用的鋼材質量不符合要求。
    (5)意外、自然災害對結構損傷嚴重。
    (6)由於地基基礎下沉,引起結構的變形和損傷。
結構或構件加固是一項複雜的工作,要考慮的因素很多。加固方法應從施工方便、不影響生產、經濟合理、效果好等方麵來選擇,一般原則如下:
    (1)加固應盡可能做到不停產或少停產,因停產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加固,取決於結構的應力應變狀態。一般構件的內應力小於鋼材設計強度的80%,且構件損壞變形等不是太嚴重時,可采用負荷不停產加固方法。
    (2)結構加固方案要便於製作、施工,便於檢查。
    (3)結構製造組裝應盡量在生產區外進行。
    (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,應驗算鑽孔截麵削弱後的承載能力;采用焊接加固時,實際荷載產生的原有杆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
       鋼結構加固的主要方法有:減輕荷載、改變計算圖形、加大原結構構件截麵和連接強度、阻止裂紋擴展等。當有成熟經驗時,也可采用其他的加固方法。經鑒定需要加固的鋼結構,根據損害範圍一般分為局部加固和全麵加固。局部加固是對某承載能力不足的杆件或連接節點處進行加固,有增加杆件截麵法、減小杆件自由長度法和連接節點加固法。全麵加固是對整體結構進行加固,有不改變結構靜力計算圖形加固法和改變結構靜力計算圖形加固法兩類。增加或加強支承體係,也是對結構體係加固的有效方法。增加原有構件截麵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。
       加固結構的施工方法有:負荷加固、卸荷加固和從原結構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用戶要求和結構實際受力狀態,在確保質量和安全的前提下,由設計人員和施工單位協商確定。
       (1)帶負荷加固。施工最方便,也較經濟。是用於構件(或連接)的應力小於鋼材設計強度的80%時,或構件無甚大損壞(破損、變形、翹曲等)的情況下。此時為了使新加固杆件參與受力,有時需要對被加固杆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件的正常使用。
       (2)卸荷加固。適用於結構損壞較大或構件和連接的應力狀態很高,需要暫時減輕其負荷時。對某些主要承受可動荷載的結構(如吊車梁等),可限製其可動荷載,即相當於大部分卸荷。
       (3)從原結構上拆下應加固或更新的部件。當結構破壞嚴重或原截麵承載力過小,必須在地麵進行加固或更新時采用。此時必須設置臨時支撐,使被換構件完全卸荷;同時,必須保證被換結構卸下後整個結構的安全。
       確定加固方案前,應搜集下列資料:
      (1)原有結構的竣工圖(包括更改圖)及驗收記錄。
     (2)原有鋼材材質報告複印件或現場材質檢驗報告。
     (3)原有結構構件製作、安裝驗收記錄。
     (4)原有結構設計計算書。
     (5)結構或構件破損情況檢查報告。
     (6)現有實際荷載和加固後新增加荷載的數據。
       二、改變結構計算圖形加固法
       改變結構計算圖形加固法是指采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節點性質和邊界條件,增設附加杆件和支撐、施加預應力、考慮空間協同工作等措施對結構進行加固的方法。改變結構計算圖形的加固過程,除應對被加固結構承載能力和正常使用極限狀態進行計算外,尚應注意對相關結構構件承載能力和使用功能的影響,考慮在結構、構件、節點以及支座中的內力重分布,對結構(包括基礎)進行必要的補充驗算,並采用切實可行的合理構造措施。采用改變結構計算圖形的加固方法,設計與施工應緊密配合,未經設計允許,不得擅自修改設計規定的施工方法和程序。采用調整內力的方法加固結構時,應在加固設計中規定調整內力(應力)或規定位移(應變)的數值和允許偏差及檢測位置和檢驗方法。
改變結構計算圖形加固法通常采用的具體措施如下:
      1 增加結構或構件的剛度
    (1)增加支撐以加強結構空間剛度,采用按空間結構進行驗算,挖掘結構潛力。
    (2)加設支撐以增加剛度,或調整結構的自振頻率,以提高結構的抗震性能。
    (3)增設支撐或輔助杆件,以減少構件的長細比,提高構件的穩定性。
    (4)重點加強某一構件的剛度,以承受更多的內力,從而減輕其他構件的內力。
    (5)設置拉杆以加強結構的剛度,減少撓度
      2 改變構件的截麵內力
    (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。如將鉸接變為剛接。
    (3)增加中間支座或將簡支結構端部連接使之成為連續結構。
    (4)調整連續結構的支座位置。
    (5)將構件變為撐杆式構架。
    (6)施加預應力。
       三、加大構件截麵加固法
       采用加大截麵加固鋼構件時,所選截麵形式應有利於加固技術要求並考慮有缺陷和損傷的狀況。加固構件受力分析計算簡圖,應反映結構的實際條件,考慮損傷及加固引起的不利變形、加固期間及前後作用在結構上的荷載及其不利組合,對於超靜定結構尚應考慮因截麵加大、構件剛度改變使體係內力重分布的可能,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)注意加固時的淨空限製,使新加固的構件不得與其他杆件相衝突。
    (2)加固設計應適應原有構件的幾何狀態,以利施工。
    (3)應盡量減少施工工作量。當原有結構鋼材的可焊性較好時,根據具體情況盡
量考慮用焊接加固,並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件截麵的形心軸位置不變,以減少偏心所產生的彎矩。當偏心值超過規定時,在複核加固截麵時,應考慮偏心的影響。
    (5)加固後的截麵在構造上要考慮防腐的要求,避免形成易於積灰的坑槽而引起鏽蝕。
       第四節鋼構件的具體加固技術
       一、鋼柱的加固
       鋼柱通常為軸壓構件或壓彎構件,結合其受力特點,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,可在吊車梁下麵設一永久性托梁,將上部柱荷載(包括吊車梁荷載)分擔於鄰柱(必須驗算鄰柱並加固之,也要驗算基礎)上。采用此法應考慮到用托梁代替下柱後,托梁將產生一定的撓度,迫使原屋架下沉,從而可能損傷與此屋架相連構件的連接節點。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)補強柱的截麵。一般補強柱截麵用鋼板或型鋼,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。在截麵尺寸不變的情況下提高了柱的穩定性。
    (3)改變計算簡圖,減小柱外荷載或內力。
    (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。
"在柱腳型鋼間澆築混凝土,使柱腳底板成為剛性塊體。為增加粘結力,柱腳表麵油漆和鏽蝕要清除幹淨。
     (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。在混凝土基礎上鑽出孔洞,插入附加錨栓,澆注環氧砂漿或硫磺砂漿(孔洞直徑為錨栓直徑"加20mm’’,深度大於30d")。"將整個柱腳包以鋼筋混凝土。新配鋼筋要伸入基礎內,與基礎內原鋼筋焊
      4 柱加固承載力驗算法
      負荷狀態下加固計算,重要的問題是加固後應力能否重分配,即加固後原有截麵能否將原有應力分配到新補強的構件截麵上去,如能重分配,新老荷載之和,可以平均分配給新老截麵上,否則原有荷載仍由原截麵承擔,新增加荷載由新老截麵(即加固後總截麵)平均分擔。到目前為止,加固後應力重分配尚未為實驗所完全證實(至少在彈性階段),可是對靜載結構來說,當截麵一部分進入塑性狀態,應力最終會重分配,所以計算中靜載結構可以新老截麵共同工作原則來計算;當在動載結構情況下,塑性區很難形成,不考慮應力重分配,計算時將加固前和加固後的情況分別計算,然後求其總和。在卸荷情況下加固,就不存在上述問題。
       卸荷狀態下,截麵驗算按加固後總截麵,並考慮加固折減係數,按現行規範計算,即按負荷狀態下加固截麵作用靜力荷載的驗算公式計算,杆架杆件、梁也是如此。
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