关于钢结构加固的一些浅见
作者 : 未知

  [摘要] 随着钢结构近几十年来的广泛使用,越来越多的钢结构厂房,钢平台或者大型钢结构公共建筑完成了它最初的使命,面临着使用功能改变,抑或生产工艺改变而需要增设新设备或加大负荷等要求。所以,如何简便有效的改造或加固已有钢结构成为近年来越来越倍受讨论的一个课题。
  [关键字] 钢结构加固 可靠性鉴定 改变计算模型 设梁立柱 节点加固
  中图分类号:TU391 文献标识码: A
  近年来,钢结构的广泛发展和应用已经成为一个国家经济实力壮大的标志,也是其科技水平提高,材料工艺与建筑技术进入高科技阶段的体现。作为建筑材料,有以下特点:首先,轻质高强。据统计,其强度重量比指数是钢筋混凝土的5倍以上;其次,在高强的同时还具有高延性高韧性。在地震作用下,钢结构属于理想的弹塑性结构,有良好的适应强震变形能力;减小结构构件尺寸增加使用面积;施工速度快周期短;便于大柱网大共享空间的特殊建筑布置,也便于工业建筑中设备管线的穿越设置;当然,也有以下缺点:防锈防火能力差,需要特别处理防护。
  随着钢结构近几十年来的广泛使用,越来越多的钢结构厂房,钢平台或者大型钢结构公共建筑完成了它最初的使命,面临着使用功能改变,抑或生产工艺改变而需要增设新设备或加大负荷等要求。所以,如何简便有效的改造或加固已有钢结构成为近年来越来越倍受讨论的一个课题。
  进行加固设计及确定方案之前,首先应了解以下资料:原有结构的竣工图,包括设计及现场变更,验收记录,原有钢材材质报告或现场材质检验报告,原有结构构件制作安装验收记录,结构设计计算书,实际荷载和加固后要求达到的使用要求。
  由于各地方标准不同,通常,被加固的钢结构需要进行可靠性鉴定。既有结构的可靠性评定主要包括以下方面:安全性评定,适用性评定,耐久性评定,抗灾害能力评定。就加固设计而言,需要与现场使用情况及实际施工方法紧密结合,采取有效措施,保证新增截面或构件与原结构连接可靠,能够协调整体工作,避免对未加固的部位造成不利影响。
  结构加固的主要方法有:减轻荷载,改变计算模型,加大截面和连接强度,阻止裂纹扩展等。
  下面着重谈一下改变计算模型的加固方法。这是一种改变荷载分布状况,传力途径,节点性质和边界条件的方法,根据实际工程概况的不同,常见的做法如下:增加支撑形成空间结构,并按空间结构进行验算;加设支撑增加结构刚度,或调整自振频率以提高承载力和改善结构动力特性,增设支撑或辅助杆件使构件的长细比减少以提高其稳定性,在排架结构中重点加强某一列柱的刚度,使之承受大部分的水平力,以减少其他柱列负担。现以如下工程实例进行讨论:
  工程概况:三层敞开式钢框架,主要设备有一台搅拌机,支撑在第二层15m 标高处。
  搅拌机荷载:充水重:46吨。动力参数为:1020r/min.
  搅拌机为振动设备,经查原有结构计算书,根据设备的动力参数,已通过动力系数法转化上楼面的动荷载为静荷载。由于质量大,支撑位置高,结构自身重量轻及安装精度等诸多原因,在后期使用过程中发现直接支撑设备的结构构件挠度较大,在设备操作过程中产生振幅,造成舒适度方面的不适。根据业主后期的使用要求,需要此搅拌机在使用过程中直接支撑梁的挠度不超过2mm,要求加固处理。
  在加固设计之初,首先进行了可靠性鉴定。由于是新建厂房,故直接排除由于地基的不均匀沉降等原因造成的结构影响。判定结构布置和构造,支撑系统,连接情况并无明显缺陷和损伤,动荷载的动力反应和特性也并无异常。这是一个中心支撑框架,强弱轴方向均有人字形支撑布置,这种结构形式的受力特点是,在风荷载作用下,具有较大的侧向刚度,支撑的布置,对减小结构的水平位移和改善结构的内力分布很有效。但是,在水平地震力作用下,中心支撑容易产生侧向屈曲,支撑斜杆反复屈曲后,其受压承载力也会急剧下降。加之振动荷载的往复作用对结构产生疲劳效应,斜杆会从受压的压曲状态转变为受拉的拉伸状态,这将对结构产生冲击性作用力,使支撑及其节点和相邻的构件产生很大的附加应力。
  其次,进一步对钢结构的性能进行了评定,包括变形,偏差,一般构造和腐蚀等。并通过检测和计算排除了是因为结构与设备自身共振造成的影响。
  原有框架柱为HW300X300的型钢柱,设备支撑梁为HN900X300,一级次梁跨度为10.4米,由于地面架设有穿楼面罐体,梁下净空尺寸受限,在对于单个构件的加固中,无法采用截面加大法和增设梁撑杆法。在考察了现场实际操作空间和层高概况后,结合工艺管道,电信仪表等其他各专业的使用要求,考虑了已有钢结构装置的施工可能性,最后选用在直接支撑设备的梁构件下增设支柱,以减小梁的支撑跨度,变简支梁为多跨连续梁,同时又验证了下层立柱支撑梁的强度和变形,确保不会影响现有装置其他部位,从而有效的减小设备支撑梁的挠度和变形。计算数据显示,这种做法有效地将一级次梁挠度由16.84mm降低至0.8mm。已达到业主的使用需求。
  图一:加固前布置 图二:加固后布置 图三: 加固前后梁挠度对比
  众所周知,钢结构设计中有三强抗震设计准则,强节点弱构件,强柱弱梁,强焊缝弱钢材。节点设计始终是钢结构设计中的重要环节,通常要保证在节点处内力传递简洁明确;连接节点有足够的强度和刚度;地震力作用下,节点的承载力应按照有关规定大于杆件(梁,柱,斜杆)的承载力,防止节点破坏先于构件破坏。节点连接分为三种,刚性连接节点,半刚性连接节点,铰接连接节点。设计时,通常按照完全刚接和完全铰接来处理。至于因为节点构造形成的半刚性连接,对整个结构的安全度不会带来影响,相反对于个别杆件的安全储备是有一定好处的,故在设计中不予考虑。
  说到连接节点的加固,主要有焊接型和螺栓型及栓焊混合型。值得注意的是,在同一受力部位连接的加固中,不宜采用刚度相差较大的混合连接方法。焊缝连接加固时,可以依次采用增加焊缝长度,有效厚度或两者同时增加的办法,如果依旧无法达到效果,可以附加连接板,或与原构件对接节点板。新增焊缝应尽可能的布置在应力最小处,远离原构件的变截面及缺口,加劲肋的截面处,力求使焊缝对称于作用力,避免使之交叉。
  纵观近年来钢结构工程的广泛发展和应用,首次设计,选用合理的结构布置方案至关重要。就结构设计而言,在概念性的问题上,我们虽并不要求完全规则的平立面,设计中循规蹈矩,但决不为了追求怪异的外观而鼓励标新立异。增加结构的超静定次数,控制抗震的结构屈服机制,使塑性铰从次要结构依次向主要结构发展,增大整个结构的塑性变形量,设计非单一传力路线,力争使结构形成多道抗震防线。
  就材料本身,不可避免的存在着各种缺陷和不足,尤其是在长期荷载和环境更替等因素的影响下,材料性能发生变化,从而引起宏观力学性能劣化,这些都会直接导致潜在的安全隐患。为确保继续可靠工作,延长使用寿命就必须对损伤的构件进行更换或加固,负荷情况下更换这些构件将造成极大的浪费,带来一定的施工困难,而且会影响结构的正常使用。同时,结构损伤具有隐蔽性和多发性特点,这些构件不可能在一旦出现损伤时就立即退役。因此,寻求经济高效的钢结构加固技术既是土木工程领域亟待解决的技术问题,又是一个关系到社会可持续发展的问题。

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