钢结构检测及加固措施探究

摘要:钢结构建筑相比于砖混结构建筑在环保、节能、高效、工厂化生产等方面具有明显优势。近几年来，随着建筑业蓬勃发展，尤其是在城市建筑上，由于城市的地理条件有所限制，高层钢结构工程便开始成为了城市建筑业的主流。在这种背景下，钢结构的检测与加固成为了保证整个工程质量的关键。若钢结构安装施工过程中出现了问题，轻者会影响工期，破坏结构外观，浪费材料等；重者则可能会造成人员的伤亡，甚至给社会带来严重的不良影响。本文分析了建筑钢结构检测的内容，研究了钢结构加固的措施。

关键词:建筑钢结构；检测；加固措施

中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

钢结构建筑屡见不鲜，在城市建筑上发挥了重要作用，然而，近几年也发生一些坍塌事故。因此，加强对建筑钢结构的检测、加固的措施等方面的研究显得尤为重要，是保证建筑结构安全的关键。

l、建筑钢结构工程事故破坏机理与检测内容

钢结构事故类型最主要集中在稳定性的破坏、疲劳破坏、脆性破坏和腐蚀破坏四种。破坏机理如下：钢结构失稳原因局部失稳和整体失稳：钢结构构造、应力集中、应力幅等引起的钢结构疲劳问题；低温和动载、材质缺陷、钢板厚度、应力腐蚀、氢脆引起的脆性断裂；腐蚀问题有化学腐蚀、电化学腐蚀等。针对以上钢结构工程事故常发生的类型，建筑钢结构工程检测内容可分为三个部分：钢结构材料检测、钢结构连接检侧(包括紧固件检测和焊缝无损探伤)及钢结构性能检测。建筑钢结构用材料又可分为三大类，即结构(构件)用材料、结构连接用材料(焊接用材料)及结构防护用材料。钢结构材料检测便是针对以上三类材料的检测。对于建筑钢结构连接的检测，钢结构的连接有三种方式：紧固件连接、焊接连接和柳钉连接，其中柳钉已经很少用，多被高强度螺栓连接所取代。焊接连接是最常用的连接方式，因而焊缝质量的检测是钢结构检测的主要内容。针对建筑钢结构性能的检测涉及面很广，主要包括以下内容和方法：结构荷载及作用检测：结构形体及结构损伤的测定；结构构件及连接的强度检测；结构及构件的稳定性核定；结构及构件的刚度检测；结构动力性能检测；结构疲劳与断裂检测；钢结构防腐防锈及抗火性能检测。

2、建筑钢结构的检测技术

建筑钢结构检测的技术，主要包括力学性能、理化分析、无损探伤、结构性能等领域。其中钢结构无损检测目前应用最广，主要应

用在以下几方面：焊接球节点钢网架。其整体结构由钢管杆件与空心钢球焊接组成的，球杆焊缝和空心球焊缝是二级质量焊缝，因此焊缝内部质量是保证网架安全主要因素，而焊缝质量检测采用超声检测，其检测方法和评定方法执行JG厂r3034．1。螺栓球节点钢网架中的应用。螺栓球节点钢网架由螺栓球、高强度螺栓和杆件三个分体构件组装而成。螺栓球和高强度螺栓要进行表面质量检测，一般采用水洗型着色渗透检测，其检测方法和评定方法执行JB4730；杆件焊缝要进行内部质量检测，依据JGJ78采用超声检测，其检测方法和评定方法执行JG厂r3034.2。在焊接钢结构工程中的应用。焊接H型门式钢结构由钢柱和钢梁焊拼而成，是常见的一种焊接钢结构。其中的全熔透焊缝内部质量要进行超声检测，其检测方法和评定方法执行GB厂rll345。抽样数量和方法，一级焊缝100％检测，二级焊缝按每条焊缝长度的20％且不小于200MM抽取。在紧固件连接钢结构工程中的应用。厂房的H型门式钢架和高层建筑的钢骨架，大部分是分体钢柱和钢梁用高强度螺栓连接组装的，是典型的紧固件连接钢结构工程。其中的钢柱和钢梁的全熔透焊缝内部质营要进行超声检测。

3、建筑钢结构加固的方法

改变结构计算图形的加固：改变结构计算图形的加固方法指采

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，考虑窄间协同工作等措施对结构进行加固

的方法。钢柱的加同的方法是增设支撑减少柱计算长度：将屋架与

柱交接改为刚接，减少柱计算弯矩和计算长度；增加屋盖支撑使排

架柱可按空间结构进行验算．力口强某柱列，使排架所受水平荷载主

要由该列柱承担，其他柱列卸载，减少加固工作量。钢梁的加固的

方法是增设支柱或支撑以减少梁的跨度，提高梁的承载力；增设拉

杆施加预应力；将各单跨梁支座连接成连续梁，以减少跨中弯矩。

增大构建截面的加固：大都采用增补钢材的方法，此外也可对原构件外包混凝土进行加固；钢柱的加固可采用改变截面形式方式，来提高弯矩作用平面内外的承载能力：钢梁加固，焊接组合梁和型钢梁都可在翼缘板上加焊水平板，斜板或型钢进行加固，一般宜上下翼缘均加固，但当有铺板t翼缘加同困难时，亦可仅对下翼缘补强加固。对用于梁腹板抗剪强度不足的加固，当梁腹板稳定性不能保证时，往往采用设置加劲肋的方式。连接和节点加固：构件的增补或局部杆件的替换，都需要适当的连接。加固的杆件必须通过节点加固才能参与原结构工作，破坏了的节点需要加固。为此要对原焊接连接、原铆钉螺栓连接进行加固，节点连接扩大。

3.1CFRP加固钢结构技术

传统的钢结构加固技术已被广泛地运用到工程领域中，实践证明，这些方法是非常有效的。但它的缺点是费时、费力、增加结构的重量，耐久性较差，维护费用较高。相比之下碳纤维增强复合材料（CFRP）具有优秀的物理、力学性能，如强度和刚度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性能好、现场可操作性强、施工周期短、不损伤原结构等优点。目前已广泛用于混凝土结构中，国内外对CFRP加固钢结构的研究和应用则处于起步阶段，主要集中在受弯构件的加固、受拉（压）构件的加固、疲劳加固、粘结剂及其受力分析的研究、预应力加固钢结构技术的研究。

3.2 受弯构件的加固

国内外关于CFRP加固钢结构的试验研究大部分集中在受弯构件上，主要分为无损伤缺陷钢梁的加固和损伤钢梁的加固。

3.2.1无损伤缺陷钢梁的加固

FRP 加固钢梁的试验研究最早始于20 世纪90年代中期,美国Delaware 大学对无损伤缺陷的工字型钢梁进行研究。国内外许多学者开展了对各种类型的钢梁加固研究,主要包括工字型截面钢梁、矩形截面钢梁、钢板梁、钢- 混凝土组合梁。已有的试验结果表明,随着粘贴的纤维量、纤维的弹性模量、钢材的弹性模量、钢材的屈服强度的变化,加固效果也不同。

3.2.2 损伤钢梁的加固

存在损伤缺陷的钢梁用高模量的CFRP 板加固后,刚度基本能恢复到未损伤情况下钢梁刚度的90%以上,极限承载力的提高随着加固量和损伤大小而不同,粘贴CFRP 加固修复损伤钢结构不仅能恢复其损失的刚度、承载能力和改善其疲劳性能,还能对钢结构形成保护,起到加固和防腐的双重效果。

3.3 受拉（压）构件的加固

西安建筑科技大学的彭福明等用能量法得到了CFRP加固轴心受压钢管的弹性屈曲荷载，并与有限元计算结果进行了对比，结果表明：纵向粘贴CFRP对提高钢结构轴心受压构件的弹性屈曲荷载比较明显，并提出可以用来预测钢结构轴心受压构件的弹性屈曲荷载的理论计算公式。

西安交通大学的马建勋等人对采用碳纤维布粘贴加固后的钢板进行了单轴拉伸试验,试验结果表明,钢板采用CFRP 布双面粘贴后,屈服荷载可提高16 %～18 % ,极限荷载可提高16 %～ 25 % ,破坏模式是CFRP 布被拉断,主要是断面附近或CFRP 布端部发生脱胶。

3.4 疲劳加固研究

国内学者张宁等提出：1）碳纤维加固后焊趾处应力重新分布,能够承受更大的疲劳应力。2) 本试验结果表明,经过碳纤维加固后,钢结构试件应力循环次数超过50 万次的疲劳强度远远高于原状焊缝。

Bassetti等人用预应力CFRP板加固从旧桥中取出的一根铆接钢梁，结果表明用预应力CFRP 板可以对铆钉孔附近疲劳裂纹的出现和进一步发展起到延缓作用,加固后的钢梁,循环次数达到2000万次。

清华大学的郑云基于线弹性断裂力学理论,采用有限元模型对表征疲劳裂纹扩展速率的裂纹前端应力强度因子进行了计算分析。计算结果表明,采用CFRP 双面粘贴加固后钢板的剩余疲劳寿命得到显著提高,从理论上验证了用CFRP 加固疲劳损伤钢结构是非常有前途的一种加固方法。

3.5 粘结剂及其受力分析的研究

西安建筑科技大学的彭福明等采用有限元方法,对粘贴CFRP加固修复钢结构时影响二者之间荷载传递效果的因素进行了系统的分析。

杨勇新等对粘贴碳纤维布加固钢板进行了静力拉伸试验，试验结果表明：1) 粘贴碳纤维布能有效提高拉伸构件的屈服荷载，但是对极限荷载的贡献不大。2) 采用高模量的碳纤维布加固损伤钢构件的效果更加明显。3) 保证碳纤维布在钢材屈服后仍不发生剥离是非常重要的。

张宁等通过界面粘结力的试验研究和公式推导，得出如下结论：1)碳纤维材料与钢结构的界面应力受到材料性能、粘贴质量、粘贴方式、胶层厚度等因素的影响。2) 界面的受力随着粘结长度的变化而变化，但当粘结长度增大到一定值时,承载力不再提高。3) 粘结剂涂抹要均匀,厚度要适当。4) 碳纤维布要保持平直,粘贴方向与最大受力方向保持一致,以充分发挥碳纤维的受力性能。

在粘贴CFRP 之前,加强钢材表面的处理可以增强粘贴强度和耐久性。当表面处理完成后15h 内必须粘贴CFRP ,否则会降低粘结强度。Miller建议应用加速养护方法,比如电热毯或加热器来提高粘结剂的养护速度。表面处理或者喷砂处理可以从钢结构表面除去铁锈、各种涂料和油漆,增强粘结效果。Jason D.Bardis系统研究了各种表面处理方法对粘结强度的影响。为了避免胶层的剥离破坏,提出了很多方法。Vinson提出把FRP 板的两端做成45°角,可有效地减小胶层的应力。Sen设计了一种钢夹具固定在FRP板两端来抵抗此处较大的正应力和剪应力。Liu则建议在张拉翼缘和腹板上缠绕纤维方向垂直于梁长度方向的GFRP 以避免CFRP 片材与钢结构的剥离。

3.6预应力加固钢结构技术的研究

预应力加固钢结构技术是将传统的体外预应力施加技术与碳纤维加固技术结合起来,从而起到加固钢结构的作用。预应力CFRP 加固钢结构是一种加固新方法。现有的试验研究很少,基本都处在理论研究阶段。江克斌[20]等人应用有限元软件ANSYS 对长5m ,高。0.2m ,宽0.1m 的矩形截面钢梁进行了非线性分析并进行了理论公式的推导。

赵启林等人提出了CFRP 加固钢结构的反拱预应力技术。其基本思路是:首先利用已经成熟的体外预应力施加技术,在结构使用荷载的反方向施加荷载,消除已有变形并且使结构产生一定的变形,在该变形状态下粘贴CFRP ,当CFRP 与钢结构梁等结构粘贴可靠后撤收施加预应力的设备。推导了理论公式并用有限元分析了公式的适用性。预应力加固现处在起步阶段,将是今后重点研究的一个方向。

结语

通过了解建筑钢结构检测与鉴定的对象以及目前针对建筑钢结构检测鉴定对象所采用的手段，可以发现目前对于建筑钥结构的检测鉴定还是停留在对一些具体结构，或者构件层次上的检测鉴定，且缺乏针对性的技术标准。对实际工程钢结构质量的检测与加固这类问题的研究，有待于设计和鉴定理论的提高。

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