钢结构加固形式及施工工艺探讨

【摘要】在钢结构的施工过程中，钢结构加固形式的质量问题直接影响都整个钢结构工程的质量。本文将就钢结构加固形式及施工工艺进行探讨并提出相应的预防措施。

【关键词】钢结构；加固形式；施工工艺

中图分类号：TU391文献标识码： A

一、前言

钢结构是建筑工程中的常用结构，主要是用于跨度较大的钢结构的建筑工程项目中。保证钢结构加固施工的质量是整个钢结构工程项目的重要环节。下文将对钢结构加固形式及施工工艺进行分析。

二、钢结构加固技术概述

1、概述

当钢结构存在严重缺陷，损伤或使用条件发生改变，经检查，验算结构的强度（包括连接）。刚度或稳定性等不满足设计要求时，应对钢结构进行加固。如出现以下情况之一时，需要进行加固：由于设计或施工中造成钢结构缺陷，使得结构或其局部的承载能力达不到设计要求，如焊缝长度不足，杆件中切口过长，截面削弱过多等。结构经长期使用，存在不同程度锈蚀，磨损，结构或节点受到削弱，使得结构或其局部的承载能力达不到原来的设计要求。由于使用条件发生变化，结构上荷载增加，原有结构不能适应。使用的钢材质量不符合要。意外自然灾害对结构损伤严重。由于地基基础下沉，引起结构变形和损伤。有时出现结构损伤事故，需要修复#如果损伤是由于荷载超过设计值或者材料质量低劣，或者是构造处理不恰当，那么修复工作也带有加固的性质。

2、加固的原则

结构或构件加固是一项复杂的工作，考虑因素很多，加固方法应从施工方便、不影响生产、经济合理、效果好等方面来选择。一般原则如下：结构经可靠性鉴定不满足要求时，必须进行加固处理。加固的范围和内容应根据鉴定结论和加固后的使用要求，由设计单位与业主协商确定。加固设计的内容和范围，可以是结构整体，亦可以是指定的区段，特定的构件或部位。加固后的钢结构的安全等级应根据结构破坏后果的严重程度，结构的重要性和下一个使用期的具体要求，由委托方和设计者按实际情况商定。结构加固时尽可能做到不停产或少停产，因停产的损失往往是加固费用的几倍或几十倍。能否在负荷下不停产加固，取决于结构应力应变状态，一般构件内应力小于钢材设计强度的 80%，且构件损坏，变形等不太严重时，可采用负荷不停产加固方法。

在负荷状态下进行焊接加固是非常危险的，承受静力荷载和间接承受动力荷载的构件在实际荷载产生的原有杆件应力最好在钢材设计强度的60%以下，极限不得超过80%，承受动力荷载的构件不得超过40%，否则采取相应措施才能施焊；加大角焊缝厚度时，原有焊缝在扣除焊接热影响区长度后的承载能力，应不小于外荷载产生的内力。《钢结构加固技术规范》（CECS77）对负荷状态下进行加固做了如下明确规定：焊接钢结构加固时，原有构件或连接的实际名义应力值应小于0.55f，且不得考虑加固构件的塑性变形发展；非焊接钢结构加固时，其实际名义应力值应小于0.7f，对于直接承受动力荷载的一般结构最大名应力不得超过0.4f，钢结构加固设计应与实际施工方法紧密结合，并应采取有效措施，保证新增截面，构件和部件与原结构连接可靠，使其形成整体共同工作#在加固施工时，应避免对未加固的部分或构件造成不利的影响，并充分考虑现场条件对施工方法，加固效果和施工工期的影响，应采取减少构件在加固过程中产生附加变形的加固措施和施工方法。对于高温、腐蚀、冷脆、振动、地基不均匀沉降等原因造成的结构损坏，应提出其相应的处理对策后再进行加固。对于加固时可能出现倾斜，失稳或倒塌等不安全因素的钢结构，在加固施工前，应采取相应的临时安全措施，以防止事故的发生。钢结构的加固原则

三、常见钢结构需要加固补强的原因总结

钢结构存在严重缺陷和损伤或改变使用条件，经检查验算结构的强度，刚度或稳定性不满足使用要求时，应对钢结构进行加固。常见的钢结构需加固补强的主要原因有由于设计或施工中造成钢结构缺陷，如焊缝长度不足，杆件切口过长，使截面削弱过多等等。结构经长期使用，出现不同程度的锈蚀。磨损以及操作不正常等。造成结构缺陷，使结构构件截面严重削弱。工艺生产条件变化，使结构上荷载增加，原有结构不能适应。使用的钢材质量不符合要求。意外、自然灾害对结构损伤严重。由于地基基础下沉，引起结构的变形和损伤。

四、钢结构加固方法

1、改变结构计算图形

改变结构计算图形的实质是改变结构的传力体系。冶金、电力、石油化工、机械制造等行业的工业厂房具有复杂的工艺要求和设备布局。其钢结构的改扩建大部分是在不停产的条件下进行的。结构体系调整受到许多因素制约，因此，采取改变结构计算图形的加固改造项目具有各自不同的工程特点。改变结构计算图形被广泛应用于钢结构改扩建工程中。是一种常见的加固方法。其具体的技术手段要结合施工难度，经济效益、工艺要求、使用功能等方面综合考虑。值得一提的是，在加固设计过程中，除应对被加固结构承载力和正常使用极限状态进行计算外，还应注意其对相关结构构件承载能力和使用功能的影响，考虑在结构，构件，节点以及支座中的内力重分布。对结构及基础进行必要的补充验算。并采取切实可行的合理构造措施。

2、构件截面加固

构件截面加固的实质是通过增加构件截面面积加大构件刚度。实现钢框架整体承载能力的提高。构件截面加固方法主要有将工字形截面改为箱形截面，翼缘外侧贴焊钢板，外粘钢板，碳纤维布加固等。采用加大截面的方法加固钢构件时，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情况。以上方法并不是在任何钢结构加固中都可以运用，因此了解不同加固方法的特点对加固设计方案的选取十分必要。

传统的钢结构加固方法主要有钢板焊接、螺栓连接、铆接或者粘接。这些方法虽在一定程度上改善了原结构缺陷部位受力状况。但存在许多缺点，例如产生新的损伤和焊接残余应力。纤维增强复合材料FRP。由于具有比强度和比刚度高、耐腐蚀及施工方便等优点。在混凝土结构中得到广泛的应用。并作为一种新型高性能结构材料受到工程界的广泛关注。国内外有关研究和工程单位开展了大量的研究和实践应用。近年来的研究表明。FRP加固钢结构也具有很好的效果。

从上述研究成果可以发现，当前构件截面加固研究主要集中在贴焊钢板加固和碳纤维布加固两个方面，贴焊钢板的加固效果主要受残余应力。初始缺陷、钢板厚度、构件长细比、施工技术等因素制约，同时焊接会产生新的残余应力，因此焊接加固适合于卸荷加固或者低应力结构，大量的试验研究和数值模拟表明。碳纤维加固技术可以有效提高钢结构承载力，其加固效果主要与碳纤维布的厚度和弹性模量有关，不同径厚比、长细比钢柱的加固效果也有所差异，该方法适合于腐蚀环境。施工困难的钢结构，在选择具体的加固技术时，应该综合结构特点，工作环境、施工难度、经济效益等因素进行评估。

3、连接节点加固

连接节点加固是钢结构改扩建中最复杂的一个环节，技术措施主要有焊缝加固、粘钢加固、碳纤维加固、套管加固、肋板加固等。钢结构加固连接方法的选择，应根据结构需要加固的原因、目的、受力状态及施工条件，并考虑结构原有的连接方法确定，在同一受力部位连接的加固中，不宜采用刚度相差较大的加固措施。钢管结构相贯节点的加固方法主要有主管上加套管、加内隔板、主管加劲环加固及板加固等。

钢结构相贯节点的研究表明，构件加厚或者设置加劲板可以有效防止节点的脆性破坏，能够改善节点的延性，自从美国北岭地震以来，盖板加固逐渐被广泛研究，盖板加固能防止节点的脆性破坏，盖板的不同布置方式及形状是节点加固的主要设计因素。相比于前两种焊接加固，碳纤维布加固不仅能提高构件的承载力，也避免了焊接残余应力对既有结构的损伤。

综上所述，钢结构加固研究已经取得了较大的成果，但是还需要开展更深入的研究，贴焊钢板加固构件截面能有效改善结构承载力，但是焊接残余应力对结构产生的不利影响值得重视，尽管规范对荷载作用下焊接加固的名义应力做出了要求，焊接加固后构件的应力分布有待进一步研究。板件加厚和设置加劲板被证实能够有效防止钢管相贯节点的脆性破坏，但是对加固后节点的屈曲性能、屈曲破坏等研究尚不够深入。盖板加固钢框架节点取得了预期的效果，但是对于盖板加固后钢框架节点的弯矩。转角曲线的研究目前比较空缺。

五、钢结构加固施工方法

当采用加大截面的方法进行加固时,应该保证结构的加固构件具有合理的力学传递途径,以保证新增加固件与原有构件共同工作的相互连接方式;对于轴心受力和偏心受力构件,加固构件与原有构件的支座(或节点)应具有可靠的连接以保证原力学传递路径的不变。加固构件的布置应适应原有构件的几何形状或已发生的变形情况,以利于施工但也应尽量避免利用引起固有截面形心偏移的形式,如果难以避免时,应该在加固施工过程中考虑到形心轴偏移产生的后果和影响。尽可能减少加固施工的工作量。

不论原有结构采用的是螺栓连接还是焊接连接,只要是钢材具有良好的可焊性,应该尽可能采取焊接方式进行补强。当加固采用的是焊接方式补强时,应该尽量减少焊接的工作量并且应该注意合理的焊接施焊顺序,以确保降低焊接产生的变形和焊接产生的有害应力。当结构在附加荷载作用下进行焊接作业时,应该尽量采用较小的焊接尺寸,并且应首先加固对原有构件影响比较小、构件截面形式比较薄弱或者能够立即起到加固作用的部位。采取加大截面的加固构造措施不应该过多的削弱原有构件截面面积和原有结构的承载能力:当采用螺栓或高强度螺栓连接时,尽量选用较小直径的螺栓以防止截面削弱过大。当采用螺栓(或铆钉)连接加固加大截面时,将加固与被加固板件相互压紧后,随从加固件两端向中间逐次做孔和安装拧紧螺栓(或铆钉),以便尽可能减少加固过程中截面的过大削弱。尽量采用高强度螺栓,并且要保证加固件能够和原有构件共同工作。当采用焊接连接进行钢结构加固时,焊缝的方向应该尽量的避免采用与原有构件应力方向垂直,以防止焊缝应力过大。

如做不到以上措施,为了确保结构施工过程的安全,应该在施工之前制定详细的施工技术方案,在施工过程中采取专门的技术措施和施焊工艺;轻钢结构中的小角钢和圆钢杆件由于截面比较薄弱不可以在负荷状态下进行焊接,必要时应采取适当的防护措施。同时圆钢拉杆严禁在负荷状态下用焊接方法进行加固,以防止施工措施不当影响加固质量和加固效果。在负荷下进行结构加固时,采取的加固工艺应确保被加固件的截面不出现焊接加热,当存在附加钻、扩孔洞等会引起结构截面的削弱,加固产生的不利影响应该尽可能的小,为此必须制定详细的加固施工方法,施工工艺过程和技术条件必须合理,并据此按照隐蔽工程施工验收标准进行施工验收。

在负荷状态下进行结构构件加固时,当采用焊接加固件加大截面的方法加固钢结构构件时,必须将可用结构加固件与被加固构件沿构件全长互相压紧;与构件截面有对称的成对焊缝时,应在施工过程中进行平行施焊;当有多条焊缝时,应按照交错顺序施焊;对于两面都有加固件的截面,应该先施焊受拉侧的加固件,然后施焊受压侧的加固件;对一端为嵌面的受压杆件,应从嵌固端向另一端施焊。若其为受拉杆,则应该从另一端向嵌固端施焊。当采用加大截面的方法加固有两个以上构件的静不定结构(框架、连续梁等)时,应该首先全部加固与被加固构件压紧并且进行点焊定位,然后从受力最大构件依次连续地进行加固连接。

六、结束语

总之，在整个钢结构加固形式及施工工艺过程中，要重视钢结构加固施工中的每一个环节，预防质量通病，保证施工的规范性，使整个工程的质量得到保证。

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