基于钢结构加固技术问题分析与探讨

【摘 要】本文深入分析研究了钢结构需要加固的原因，加固原则，技术措施，施工工艺及步骤。在建筑施工中，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、刚度等不满足使用要求时，应对钢结构进行加固。本文在此提出了一些自己的观点和看法，可与同行共同探讨。

【关键词】钢结构；加固；原因；技术措施；施工工艺

前言

在建筑施工中，当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、刚度等不满足使用要求时，应对钢结构进行加固。由于诸多因素会使钢结构的安全性降低，从而具有加固钢结构工程的必要。因此，钢结构的加固技术研究越来越受到人们的重视。由于设计或施工中造成的钢结构缺陷，如焊缝长度不足，杆件切口过长，使截面削弱过多等。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等。

一、钢结构加固的原则分析

加固应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，取决于结构的应力应变状态。一般构件的内应力小于钢材设计强度的 80%，且构件损坏变形等不是太严重时，可采用负荷不停产加固方法。结构加固方案要便于制作、施工，便于检查。结构制造组装应尽量在生产区外进行。连接加固应尽可能采用高质量螺栓或焊接。

二、钢结构加固技术措施分析

（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。

三、计算的基本规定

钢结构加固可按下列原则进行承载能力及正常使用极限状态验算：（1）结构的计算简图应根据实际的支承条件、连接情况和受力状态确定，有条件时，可考虑结构的空间作用。（2）加固设计的计算应分加固过程中和加固后两阶段进行。两阶段结构构件的计算分别采用相应的实际有效截面。加固过程中的计算，应考虑加固过程中拆卸原有零部件、增设螺栓孔和施焊过程等造成原有结构承载能力的降低，并且只考虑加固过程中出现的荷载。加固后的计算，应考虑加固后在预期寿命内的全部荷载。另外，还应考虑结构在加固时的实际受力状况，即原结构的应力超前和加固部分的应变滞后特点，以及加固部分与原结构共同工作的程度。（3）对相关构件、连接及建筑物地基基础，应考虑结构加固引起自重及内力变化等不利因素的影响，重新进行必要的验算。

四、预应力加固钢结构技术分析

1、传统的钢结构加固存在的问题：焊接加固时，高温作用使焊接部位的组织及性能劣化；而且焊缝必然存在缺陷，会产生新的裂纹；焊接结构内部存在残余应力，可能导致开裂。焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦扩展，就有可能一断到底，引发重大事故。采用螺栓连接需要在损伤部位附近的钢材上开孔，削弱了截面，形成新的应力集中区；普通螺栓在动载作用下易松动，高强螺栓易发生应力松弛现象，降低了结构的修补效果。粘钢加固技术是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，依靠结构胶使之粘结成整体共同工作，以提高结构承载力。这些加固方法共同的缺点是使结构重量增加很多，钢板不易制作成各种复杂形状，运输和安装也不方便，且钢板易锈蚀，影响粘结强度，维护费用高。

2、粘贴加固钢结构的特点：粘贴加固钢结构是利用粘结剂粘贴到钢结构损伤部位的表面，使一部分荷载通过粘结层传递到上，降低了结构损伤部位的应力。粘贴加固技术具有明显的优势：（1） 比强度和比刚度高，加固后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸；（2）复合材料具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能；（3）柔性的复合材料对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面具有特别的优势。密封性好，减少了渗漏甚至腐蚀的隐患；（4）简便易行、成本低、效率高，在狭小空间亦可施工，特别适合现场修复；（5）施工过程中无明火，适用于各种特殊环境。

3、预应力加固的优点：（1）加固工作可在不卸载、不停产的条件下进行；（2）施加预应力可直接减小变形，迅速消除超逾应力和内力峰值；（3）与非预应力方式相比，可消除应力滞后现象，充分利用的高强特性，提高加固效率。（4）结合可靠锚固，可降低粘结界面的剥离应力，避免整体剥落，提高加固的可靠性；（5）降低加固费用和使用成本。

五、纤维布安装工艺分析

1、表面处理：（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）待胶稍干后，进行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 小时后去除多余的螺杆，根据结构的实际要求进行表面防护处理。

2、预应力加固的设计与计算原则：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。

3、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。

六、预应力加固钢结构施工工艺及步骤

预应力加固钢结构方案可分为两种，一是直接粘贴法，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；二是将束作为预应力拉索调整应力，一般适用于对整个结构进行整体加固。

1、选材：用于结构加固的碳纤维主要选 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。

2、设计：根据待修补结构的受力特点、传力路径和应力-应变场，确定布的用量、尺

寸和铺设方向等。纤维方向应尽量与损伤构件中最大受力方向保持一致。如果损伤部位处于复杂应力状态，则纤维取向和铺层顺序应尽量与控制主应力方向一致。

3、嵌入式预应力张拉技术：钢结构加固的特殊性，需要一种简便的预应力施加方式，传统的预应力施加方式往往是先张拉后锚固，需要相对复杂的张拉机具，以及相应的反力装置。在锚固的时候，预应力损失也比较大。嵌入式预应力张拉技术，其特点就是先锚固后张拉，以构件本身和先前的锚固作为张拉受力装置，无需复杂的张拉机具。嵌入式预应力张拉技术可分次施加预应力，可对粘结层产生挤压效应，提高粘贴的可靠性。同时，因采用先锚固后张拉技术，预应力损失小，方法简便有效。

参考文献：

[1]陈骥.钢结构稳定理论与设计.科学出版社.2008

[2]郭兵，雷淑忠.钢结构的检测鉴定与加固改造.中国建筑工业出版社.2006