鋼結構加固設計

摘要：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。鋼結構加固的主要方法有：減輕荷載、改變計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。
關鍵詞：鋼結構 銹蝕 變形 加固設計
一、概述
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）由于設計或施工中造成鋼結構缺陷，如焊縫長度不足，桿件切口過長，使截面削弱過多等等。（2）結構經長期使用，出現不同程度的銹蝕、磨損以及操作不正常等，造成結構缺陷，使結構構件截面嚴重削弱。（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）由于地基基礎下沉，引起結構的變形和損傷。
二、設計前的準備
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）原有鋼材材質報告復印件或現場材質檢驗報告。（3）原有結構構件制作、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后新增加荷載的數據。
三、加固設計原則
結構或構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、經濟合理、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，取決于結構的應力應變狀態。一般構件的內應力小于鋼材設計強度的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）結構加固方案要便于制作、施工，便于檢查。（3）結構制造組裝應盡量在生產區外進行。（4）連接加固應盡可能采用焊接或高強螺栓。 采用焊接加固時，實際荷載產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。采用高強螺栓加固時，應驗算鉆孔截面削弱后的承載能力。
四、加固設計方法
鋼結構加固的主要方法有：減輕荷載、改變計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。經鑒定需要加固的鋼結構，根據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點加固法。全面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。增加或加強支承體系， 也是對結構體系加固的有效方法。增加原有構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。
（一）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，增設附加桿件和支撐、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，并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.對結構可采用下列增加結構或構件的剛度的方法進行加固：①增加支撐形成空間結構并按空間結構驗算；②加設支撐增加結構剛度，或者調整結構的自振頻率等以提高結構承載力和改善結構動力特性；③增設支撐或輔助桿件使結構的長細比減少以提高其穩定性；④在排架結構中重點加強某一列柱的剛度，使之承受大部分水平力，以減輕其它柱列負荷；⑤在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊的拉索以加強結構的剛度。2.對受彎桿件可采用下列改變其截面內力的方法進行加固：①改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉化為多個集中荷載；②改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結； ③增加中間支座或將簡支結構端部連接成為連續結構；④調整連續結構的支座位置；⑤將結構變為撐桿式結構；⑥施加預應力。3.對桁架可采取下列改變其桿件內力的方法進行加固：①增設撐桿變桁架為撐桿式結構；②加設預應力拉桿。 
（二）加大構件截面加固法。采用加大截面加固鋼構件時，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，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，使新加固的構件不得與其他桿件相沖突。（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，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件截面的形心軸位置不變，以減少偏心所產生的彎矩。當偏心值超過規定時，在復核加固截面時，應考慮偏心的影響。（5）加固后的截面在構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。鋼結構連接方法，即焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強度螺栓連接方法的選擇，應根據結構需要加固的原因、目的、受力狀況、構造及施工條件，并考慮結構原有的連接方法確定。鋼結構加固一般宜采用焊縫連接、摩擦型高強度螺栓連接，有依據時亦可采用焊縫和摩擦型高強度螺栓的混合連接。當采用焊縫連接時，應采用經評定認可的焊接工藝及連接材料。
參考文獻：
[1]《鋼結構設計規范》 GB50017-2003
[2]《鋼結構加固技術規范》CECS77:96
[3]《鋼結構工程施工質量驗收規范》 GB50205-2001