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發(fā)布日期
2017-07-12
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鋼結(jié)構(gòu)加固相關理論

第一節(jié)概述 

  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:

 ?。?)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。

 ?。?)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。

 ?。?)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。

 ?。?)使用的鋼材質(zhì)量不符合要求。

 ?。?)意外、自然災害對結(jié)構(gòu)損傷嚴重。

 ?。?)由于地基基礎下沉,引起結(jié)構(gòu)的變形和損傷。

第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)加固原則 

  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。

第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)加固方法 

  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。

 ?。?)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。

 ?。?)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:

 ?。?)原有結(jié)構(gòu)的竣工圖(包括更改圖)及驗收記錄。 
第一節(jié)概述 

  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:

 ?。?)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。

 ?。?)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。

 ?。?)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。

 ?。?)使用的鋼材質(zhì)量不符合要求。

 ?。?)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。

第二節(jié)鋼結(jié)構(gòu)加固原則 

  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。

第三節(jié)鋼結(jié)構(gòu)加固方法 

  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。

 ?。?)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。

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

 ?。?)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。

 ?。?)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?

  (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。

 ?。?)改變計算簡圖,減小柱外荷載或內(nèi)力。

 ?。?)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

 ?。?)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。

 ?。?)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。

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