对钢结构设计及加固方法分析

摘要：由于钢材具有较高的强度、较好的延性及加工性能而被广泛应用于建筑领域，相对传统结构即混凝土结构、砌体结构、木结构而言，钢结构是一个新兴事物，在其应用过程中需要研究和探讨的地方，本文

关键词：钢结构;结构布置;节点设计;加固方法

Abstract: due to the steel with high strength, good ductility and processing properties and is widely used in architecture, relative to traditional structure, the concrete structure, masonry structure and wood is concerned, steel structure is a new things, in the application process needed to research and explore place, this paper

Keywords: steel structure; The structure arrangement; Node design; Reinforcement method

中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：

1 钢结构选型与结构布置

在钢结构设计的整个过程中都应该强调的是概念设计，它在结构选型与布置阶段尤其重要，对一些难以作出精确性或规范规定的情况，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系，破坏机理，震害，试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施，运用概念设计可以在早期迅速有效地进行构思，比较与选择，所得结构方案往往都易于计算，概念清晰，定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算，同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

钢结构通常是框架、平面架、网架、索膜、轻钢、塔桅等结构形式，其理论与技术大都成熟，亦有部分难题没有解决，或没有简单适用的设计方法，结构和选形式，方应考虑它们的特点，基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落，而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉力为主的悬索结构体系。

结构的布置要根据体系特征、荷载分布情况及性质等综合考虑。一般说要刚度均匀,力学模型清晰,尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围,使其以最直接的线路传递到基础,柱间抗侧支撑的分布应均匀,其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线。否则应考虑结构的扭转,结构的抗侧应有多道防线。框架结构的楼层平面次梁的布置,有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁,但是这会使主梁截面加大,减少了楼层净高,顶层边柱也有时会吃不消,此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

2 预估截面

结构布置结束后,需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。 钢梁可选择槽钢、工字钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况,其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时,可回避钢梁的整体稳定的复杂计算,这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后,其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。 柱截面按长细比预估,通常50

对应不同结构,规范中对截面的构造要求有很大的不同。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。 除此之外,构件截面形式的选择没有固定的要求,结构工程师可根据构件的受力情况,选择适用的截面。

3 钢结构分析

目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑P-Δ,p-δ。 新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件：

典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。

简单结构通过手算进行分析。

复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。

4 节点设计

钢结构体系当中，节点的设计和构件的设计具有同等的重要性，因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁－柱节点、梁－梁节点、柱－柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠，并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺，减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为三类：铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟，因此在工程中取得了广泛的应用。

采用的几种梁－柱节点连接形式。由结构布置分析，考虑工程实际情况，在设计时，多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面，由于焊接工字形截面腹板比较薄，故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接，而强轴方向则采用刚接形式[3]。从图中我们不难发现，铰节点形式简单，施工方便，但它使得梁跨中弯矩加大，增加用钢量，不经济；刚性节点构造复杂，但其有效的降低了跨中弯矩，节约了用钢，有较好的经济效应；而半刚性节点应用比较少，主要是其受力特性比较复杂，往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式，哪一种更加经济可靠，还有待于在实际工程中比较、检验。

5 钢结构加固方法

钢结构加固的主要方法有：减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。当有成熟经验时，亦可采用其它加固方法。

5.1改变结构计算图形

改变结构计算图形的加固方法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法，改变结构计算图形的一般加固方法：

5.1.1对结构可采用下列增加结构或构件的刚度的方法进行加固：

(1)增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；

(2)加设支撑增加结构刚度，或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；

(3)增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性；

(4)在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列负荷；

(5)在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。

5.1.2对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法进行加固：

(1)改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载;

(2)改变端部支承情况，例如变铰接为刚结；

(3)增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构；

(4)调整连续结构的支座位置,将结构变为撑杆式结构,施加预应力。

5.1.3对桁架可采取下列改变其杆件内力的方法进行加固：

(1)增设撑杆变桁架为撑杆式结构；

(2)加设预应力拉杆。

5.2加大构件截面的加固

采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑已有缺陷和损伤的状况。

5.3连接的加固与加固件的连接

钢结构连接方法，即焊缝、铆钉、普通螺栓和高强度螺栓连接方法的选择，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状况、构造及施工条件，并考虑结构原有的连接方法确定。

钢结构加固一般宜采用焊缝连接、摩擦型高强度螺栓连接，有依据时亦可采用焊缝和摩擦型高强度螺栓的混合连接。当采用焊缝连接时，应采用经评定认可的焊接工艺及连接材料。

5.4裂纹的修复与加固

结构因荷载反复作用及材料选择、构造、制造、施工安装不当等产生具有扩展性或脆断倾向性裂纹损伤时，应设法修复。在修复前，必须分析产生裂纹的原因及其影响的严重性，有针对性地采取改善结构实际工作或进行加固的措施，对不宜采用修复加固的构件，应予拆除更换。

6 结语

随着经济的发展，钢结构在土木工程中的应用日趋广泛，钢结构是以钢材为材料制成受力构件的结构，钢结构住宅以其能使建筑更富有功能化，预工程化程度高，建设成本降低，自重轻，安装容易，环保节能，抗震性能好等综合优势而受到各方面的重视。结构在长期的自然环境和使用环境的作用下，其功能必然逐渐减弱，采取有效的方法保证结构的安全的使用。

参考文献：

[1]《钢结构设计规范》 （GB50017-2003）

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》 （JBJ 3-2010）

[3]《建筑抗震设计规范》 （GB50017-2010）

[4]《结构可靠性鉴定与加固技术》 曹双寅邱洪兴 王恒华编

[5]《建筑结构构造资料集》 (上册 钢结构) 中国建筑工业出版社