钢结构损坏及预应力加固技术研究

摘要： 本文将结合钢结构损坏的成因深度解析钢结构加固技术及其应用方法，为建筑施工领域更好地处理钢结构缺陷提供有专业价值的参考资料，对同行进行启迪。

Abstract： Combined with the cause of the damage of steel structure， this paper in depth analyzes steel structure reinforcement technology and its application methods， in order to provide valuable reference materials for the construction industry to better handle the defects of steel structure， and to enlighten the peers.

关键词： 既有钢结构；检测；技术应用

Key words： existing steel structure；inspection；technology application

中图分类号：U445.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）31-0111-03

0 引言

钢结构是以钢材制作为主的结构，特点是由型钢和钢板等制成的钢梁、钢柱、钢桁架等构件；各构件或部件之间采用焊缝、螺栓或铆钉连接的结构，是主要的建筑结构类型之一。

随着我们国家的经济发展程度不断上升，建筑行业作为国家的支柱行业在国家经济发展中的地位正在呈现出上升趋势。建筑物作为人类生产制造的非自然产物，其最显著的特点就是要满足人类社会的基本需求，但是根据资料显示，我们国家现有的建筑物状况并不乐观。首先，有大量的建筑物其自身的可靠性程度很低，一部分建筑物甚至完全没有达到当前的标准规范需求。

据统计，上个世纪八十年代末生产建筑的一批房屋建筑，其中严重处于不达标线的面积大约为3000万m2左右，接近全国当时住宅面积的1%，工业以及商业建筑当中严重不达标甚至是危险区间的建筑面积约为1400万m2，接近当时全部工商建筑面积的3%左右。正是在这种危险状况的构建下，建筑业的重心已经逐步从“制造”转移到了“维修”上。钢结构损坏现象已成为阻碍钢构建筑可持续发展的一个相当严重的问题。

本文将结合钢结构损坏的成因深度解析钢结构加固技术及其应用方法，为建筑施工领域更好地处理钢结构缺陷提供由专业价值的参考资料，对同行进行启迪。

1 钢结构损坏的类型及成因

钢结构也有损坏的时候，我们要及时发现及时解决。钢结构损坏的主要类型和成因有：

①由荷载变化、超期服役、规范和规程改变导致结构承载力不足。

②构件由于各种意外产生变形、扭曲、伤残、凹陷等，致使构件截面削弱，杆件翘曲，连接开裂等。

③温差作用下引起构件或连接变形、开裂和翘曲。

④由于化学物质的侵蚀而产生腐蚀以及电化学腐蚀致使钢结构构件截面削弱。钢结构在大气环境构建下，由于受到了大气当中的水分、氧气以及对应的其他污染源的化学作用而十分容易被腐蚀。一般说来，在大气中的水分如果被钢结构吸附到表面之上，所形成的水膜就是对钢材造成直接腐蚀的最为关键的因素。同理，大气当中的相对湿度以及对应的空气污染物含量也会对钢结构的腐蚀造成很大的影响。

⑤其他包括设计、生产、施工中的失误及服役期中的违规使用和操作等。

2 钢结构加固方法

2.1 主要的加固方法

根据损害范围，钢结构损坏所采用的加固方法主要有局部加固和全面加固。

局部加固是对某承载能力不足的杆件或连接节点处进行加固，有增加杆件截面法、减小杆件自由长度法和连接节点加固法。

全面加固是对整体结构进行加固，有不改变结构静力计算图形加固法和改变结构静力计算图形加固法两类。

除此以外，增加或加强支承体系，也是对结构体系加固的有效方法。

2.2 主要的加固技术措施

钢结构的加固技术措施主要有三种：

①截面补强法：在局部或沿构件全长以钢材补强，连成整体使之共同受力；

②改变计算简图：增设附加支承，调整荷载分布情况，降低内力水平，对超静定结构支座进行强迫位移，降低应力峰值；

③预应力拉索法：利用高强拉索加固结构薄弱环节或提高结构整体承载力、刚度和稳度。

3 钢结构预应力加固技术研究

3.1 预应力加固技术原理

预应力加固钢结构包括直接粘贴法和整体加固法。直接粘贴法是将两端锚固并施加预应力后，通过胶粘剂粘贴在钢结构的表面，一般适用于构件表面较平整的拉杆，对构件或其局部进行加固。整体加固法是将束作为预应力拉索调整应力，适用于对整个结构进行整体加固。

3.2 预应力加固的原则

预应力加固钢结构除遵守一般钢结构加固的准则与规定外，还具有以下的特点：

①进行静力计算时必须首先确定一些与调整应力有关的参数，例如辅助平衡力大小、预应力力度、预应力卸载弯矩值、支座标高的位移值等；

②要确定调整应力时的合理荷载值或应力水平，换言之，要分析判断加固结构时是否需要全部卸载，或卸载至某一水平。

另外，在加固结构的设计计算中应遵守下列原则：

①加固件与被加固件皆在材料弹性范围内受力，两者在荷载下同时达到材料的强度设计值；

②充分发挥材料强度潜力，加固件的预应力度可使被加固件的应力卸载至其反向应力的极值；

③预应力加固设计中同样应当考虑预应力加载系数、预应力损失系数、工作条件系数、荷载系数等。

3.3 加固方法

3.3.1 选材

结构加固用碳纤维主要选用PAN基碳纤维，极限强度可达3500MPa，弹性模量约为2.35×109MPa。树脂体系采用环氧类材料。

3.3.2 加固工艺

①先用粗砂纸打磨构件的粘结区域，清理构件表层，用丙酮或酒精溶液擦洗表面，去除污染物，晾置干燥，用粘结剂浸润表面；

②在设计要求的位置打孔，应远离待加固部位以免造成二次损伤；

③在纤维布表面抹胶，将纤维束间的空隙初步封闭，稍干硬后进行灌胶；

④胶稍干后第二次施加预应力至设计的控制应力（利用挤压效应，提高粘贴质量），用胶将纤维束充分浸透，提高共同工作性能；

⑤常温下48小时后（气温较低时应适当延长时间），胶充分硬结后，割除多余的螺杆，根据结构的实际要求进行表面防护处理。

4 钢结构加固效果可靠性评定

4.1 钢结构加固可靠性评定的必要性

当钢结构建筑经过一段时间的使用之后，我们就需要对其进行针对承载力和可靠性的评定思路构架并进行结果处理探索。这是因为如下的几种原因：

①当钢结构建筑物的使用性质发生了变化的时候，原有的建筑结构已经无法满足需求，比如增加荷载或者增加网格等等，这就需要进行重新评定是否可以继续使用以及进行加固处理。

②各种意外的发生直接导致了建筑物自身的钢结构出现了十分明显的损伤，因此需要重新评估来进行探索建筑物继续使用的可能性。

③建筑物因为长时间使用，各种构件构成了多种形式组合的损伤，如果对建筑物不进行管理，就要对建筑结构进行检测构建，避免出现安全问题。

④由于建筑本身在施工过程中存在建筑失误或者安全隐患，并且建筑物已经使用了很长时间，无法推倒重建，因此只能进行加固补救，首先需要评估和检测。

4.2 评定阶段检测单元的划分内容

针对钢结构的涂层厚度，我们国家一般采用的数值是85%，也就是最低的厚度不会低于设计厚度的85%。针对这些涂层，我们要对钢结构进行单元的划分处理方便分别检测。但是钢结构的结构十分复杂，同时大小也是各不相等。如果划分的内容过大的话，那么控制点的数量也会呈现出过大的数量，但是如果划分过于细致的话，那么检测标准也就出现隐性提升的趋势。因此我们如果根据施工经验进行分析的话，就可以从下列的几个方面进行整体的考虑：首先是按照个体的区别进行划分，然后是按照面积的处理方式进行划分，其次就是按照钢结构自身的部位进行划分，最后是按照工作情况进行划分处理。以上三点就是检测单元的划分思路构建。

4.3 加固效果评定标准

对建筑钢结构的可靠性评议跟建筑施工时候的结构设计和结构验收都不一样，他要求建筑在已经指定的时间状态以及明确的长时间使用历史以及对未来继续使用的要求下，对未来进行使用的安全性和适用性进行评价和分析。由于建筑物已经经过了长时间的使用，因此在若干次维修以及加固的前提下，建筑物本身的结构已经和原有结构设计产生了相当的差异，加上随着时间的变化，原有建筑结构在进行设计的时候必然有后来判断为漏洞但当时无法看出的情况出现，所以在进行结构鉴定的时候，建筑结构本身的合理性向来不在考虑的范围之内，而是在于建筑本身进行继续使用的前提下所必需的安全性。因此，在安全的大前提下钢结构自身承载力的计算必须要对各种结构自身的缺陷和损伤以及超载进行考虑和研究。这样不仅可以避免对建筑结构进行大面积破坏，避免出现大拆大卸没有什么事情却反而搞出事情的情况发生，还可以对拆卸费用以及改造费用精打细算，把生产对建筑的影响降到最低点。一般说来，我们需要计算钢材自身强度的设计值，但是对于已有建筑，会出现以下的情况：

①建筑档案当中的钢材屈服强度和抗拉强度在当时施工设计的时代是符合国家标准的。

②建筑档案钢材屈服强度和抗拉强度在当时施工设计的时代不符合国家标准。

③由于建筑年代太久或者由于各种意外，建筑档案资料已经被遗失了。

针对这三种特殊情况我们可以这样进行刚才强度设计值的构架：首先是刚才本身的抗拉以及抗压设计数值f，我们可以把它们按照钢材自身的屈服强度fy，或者是抗拉强度fu与抗力的分项系数γr1进行数值上的确定，同时我们可以取抗剪的强度设计值为0.58f。

对于在上文中提到的第一种情况来说，钢材自身的屈服强度fy可以按照设计的年份对应的国家规定最小数值进行取值，对应的数值γr1的数值取值可以按照1.1的结果进行计算。

针对第二项情况，我们把对应的钢材自身的屈服强度fy或者是抗拉强度fu按照当时生产的时候所保留的钢材质保书或者是复验报告当中的最低值进行取值，同时按照钢材自身的屈服强度fy进行强度设计值取值确定的时候，抗力的分项系数γr1构建下的取值一般设置为1.2，如果说设计值取决于钢材自身的抗拉强度fu的时候，那么抗力的分项系数γr1的数值则可以取为1.5。如果出现了最为糟糕的第三种情况，那么我们就需要把同样的一类钢材看作是同一批生产出来的材料，进行最少数量为3个的抽样检测并进行材料力学试验，根据实验的最小值来确定对应的各项数值，并在这个时候把抗力的分项系数γr1设置成为1.2。

下面我们进行定量化的探索和分析。首先是对所有的传力树进行等级评定。我们首先可以找到其中等级最差的一榀排架作为研究目标进行分析，因为如果它们失效则整个厂房都将出现危险，然后基于二阶矩原理，我们可以对单独的一个构件进行可靠度的单独计算和编制，紧接着我们可以通过FTA方法，也就是故障树原理对整体的承重结构进行系统分析，最后我们还可以使用故障树定量分析的思路进行独立近似公式的计算：

在上面的式子当中，Q就表示当前的承重结构整体框架被破坏事件发生的几率，Q（Mi）则表示基本事件，比如屋面板或者是屋架等地点发生破坏事件的概率。

就可以单独求出当前称重体系的可靠程度构建。图1是具体的操作步骤。

一般说来，已有结构构件的可靠指标β可以对某项构建在使用期限之内能够完成功能的能力进行间接的预测。所以我们可以根据β和[β]，也就是目标可靠指标之间的关系来进行已有结构的构件工作状态审核。一般来说，有以下几种情况：

①β>[β]则表明承重结构完好，可以继续完成工作使命。

②0.85[β]

③β

5 结论

建筑检测是当前我们国家建筑行业当中的一个重要方面。为了避免造成经济损失和资源浪费，我们必须对现有的建筑钢结构进行评估并进行下一步操作，来确定是维修还是拆除。因此钢结构检测加固就成为了当前的一个重要课题。本文从若干个方面分析了钢结构的检测加固技术，希望能和同行共勉。

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