钢结构加固设计与施工

确定加固方案前，应搜集下列资料:

(1)原有结构的竣工图(包括更改图)及验收记录。

(2)原有钢材材质报告复印件或现场材质检验报告。

(3)原有结构构件制作、安装验收记录。

(4)原有结构设计计算书。

(5)结构或构件破损情况检查报告。

(6)现有实际荷载和加固后新增加荷载的数据。

一、钢结构损害的主要因素：

(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;

(5)其它包括设计、生产、施工中的失误及服役期中的违规使用和操作等。

二、钢结构的加固技术主要有三种:

(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。

经鉴定需要加固的钢结构，根据损害范围一般分为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。

增加或加强支承体系，也是对结构体系加固的有效方法。

增加原有构件截面的加固方法是*费料*费工的方法(但往往是可行的方法);改变计算简图的方法*有效且多种多样，其费用也大大下降

三、预应力加固钢结构技术：

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，与其他作用结合可能导致开裂。焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，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母材上开孔，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。

3.1 粘贴加固钢结构的特点:

      粘贴加固钢结构是利用粘结剂将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。

3.2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。

四、碳纤维布安装工艺：

4.1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)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。

4.2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。

4.3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。

五、 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。

（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**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。