關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固方法的探討
2015-03-23
鋼結(jié)構(gòu)建筑已有一百多年的發(fā)展歷史，具有性能好、自重輕、工廠化程度高、施工速度快、勞動(dòng)強(qiáng)度小等優(yōu)點(diǎn)，因此鋼結(jié)構(gòu)工程以其獨(dú)特的優(yōu)越憂，在建筑業(yè)被越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)工程在我國(guó)起步較晚，尤其是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較少，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的理論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，存在一些問(wèn)題。因此，鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)方面的工作，成為我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)面臨的新問(wèn)題。
一、分析鋼結(jié)構(gòu)加固的原因
隨著近年來(lái)各類建筑物改造工程的迅速發(fā)展，我們對(duì)建筑物的要求也越來(lái)越高，同樣對(duì)工程技術(shù)人員的要求也逐漸的提高，他們所面臨的主要問(wèn)題就是如何采取有效措施對(duì)即有建筑物進(jìn)行處理以達(dá)到其功能要求。當(dāng)出現(xiàn)以下狀況時(shí)，我們就要對(duì)已有鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，一是鋼結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的損壞、損傷或者是鋼結(jié)構(gòu)點(diǎn)的使用條件發(fā)生改變,另外就是經(jīng)檢查驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性不滿足使用要求。下面列舉幾種常見的需要鋼結(jié)構(gòu)加固的狀況:
?。ㄒ唬┰诮ㄖ锍跗诮ㄔ鞎r(shí)，設(shè)計(jì)或者施工中存在問(wèn)題使得鋼結(jié)構(gòu)存在缺陷，焊縫長(zhǎng)度不足，桿件切口過(guò)長(zhǎng)，使截面削弱過(guò)多就會(huì)造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷。
?。ǘ╀摻Y(jié)構(gòu)使用年限太長(zhǎng)，自然條件造成鋼結(jié)構(gòu)不同程度上的磨損、銹蝕等，造成鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷。
?。ㄈ┙ㄖ镌趯?shí)際應(yīng)用過(guò)程中未能按照設(shè)計(jì)強(qiáng)度使用，超出了設(shè)計(jì)時(shí)的荷載，使得鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常處在超載狀態(tài)，嚴(yán)重影響鋼結(jié)構(gòu)的使用。
（四）建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，為了降低成本，使用一些達(dá)不到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的鋼材。
?。ㄎ澹┑卣稹⒛嗍鞯茸匀粸?zāi)害的發(fā)生會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。
?。┙ㄔO(shè)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)沒(méi)能深入考察當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)，或基礎(chǔ)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，進(jìn)而使得鋼結(jié)構(gòu)由于地基基礎(chǔ)下沉發(fā)生變形和損壞的。
二、分析鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)問(wèn)題
（一）設(shè)計(jì)方法方面
我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)步驟主要是:依據(jù)彈性方法計(jì)算鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力，依據(jù)彈塑性方法驗(yàn)算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載力。由于鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，就會(huì)進(jìn)人彈塑性變形階段，會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，按現(xiàn)在的方法設(shè)計(jì)，不能保證構(gòu)件承載力可靠度的一致性。
（二）鋼結(jié)構(gòu)體系方面
鋼結(jié)構(gòu)工程低于6層的，可采用框架支撐或框架體系，高于6層的采用框架硅剪力墻或框架支撐體系，框架柱有H型鋼柱、鋼管混凝土柱和鋼骨混凝土柱。在6層以下鋼結(jié)構(gòu)工程中，組合柱要比H型鋼柱型要省鋼;鋼支撐比剪力墻的延性高，在地震等級(jí)高時(shí)延性高的地震力小，延性差的地震力大，從抗高等級(jí)地震的性能來(lái)說(shuō)，鋼支撐比硅剪力墻好，鋼框架混凝土剪力墻體系屬混合結(jié)構(gòu)，抗震性方面目前研究還不夠，選用時(shí)應(yīng)慎重。
（三）鋼結(jié)構(gòu)樓板設(shè)計(jì)方面
樓板不僅承受豎向荷載并將其傳給框架，還將水平力傳到柱上，因此樓板的強(qiáng)度、承載力和整體性都十分重要。作為鋼結(jié)構(gòu)工程要求，樓板還應(yīng)考慮隔音要求;目前鋼結(jié)構(gòu)工程上，壓型鋼板組合樓板，現(xiàn)澆樓板等應(yīng)用較多，震級(jí)較高的震區(qū)或重要鋼結(jié)構(gòu)，在柱的設(shè)計(jì)方面，要考慮在柱子的周邊，宜設(shè)置鋼箍筋，以免高水平力破壞樓板。
?。ㄋ模╀摻Y(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面
1、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜問(wèn)題:地震記錄儀構(gòu)造使得很多大于3秒的強(qiáng)震被削弱，因此計(jì)算的反應(yīng)譜不真實(shí)，而建設(shè)部人為調(diào)整的譜曲線來(lái)保證鋼結(jié)構(gòu)安全性的抗震設(shè)計(jì)，可靠性需進(jìn)一步驗(yàn)證。
2、彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算問(wèn)題:目前我國(guó)沒(méi)有高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)計(jì)算程序，缺乏空間彈塑性地震反應(yīng)分析軟件。
3、鋼結(jié)構(gòu)大垮度設(shè)計(jì)問(wèn)題:我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，國(guó)際上沒(méi)有這方面的研究，需要解決抗震設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法。
三、給鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固一點(diǎn)建議
（一）改變鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固法
所謂的改變鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固法就是通過(guò)改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法，增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)，并按空間結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，這是我們改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的一般方法。另外我們還會(huì)通過(guò)一些手段使得結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性得以改善，比如加設(shè)支撐增加結(jié)構(gòu)剛度，調(diào)整結(jié)構(gòu)的自震頻率。我們還可以減小結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比，比如增設(shè)支架或者輔助桿件來(lái)提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
?。ǘ┰鲈O(shè)支點(diǎn)加固法
通過(guò)額外增設(shè)支撐點(diǎn)來(lái)承擔(dān)一部分負(fù)荷，減小結(jié)構(gòu)計(jì)算的跨度，進(jìn)而使得結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布也發(fā)生改變，從而大幅度的提高建筑承載能力就是我們所說(shuō)的增設(shè)支點(diǎn)加固法。在梁、板上增設(shè)支點(diǎn)后，不僅能夠通過(guò)減小建筑跨度，很大程度上的提高鋼結(jié)構(gòu)承載能力，而且還能夠有效解決梁、板的撓曲變形的問(wèn)題。從定義上不難看出，這種加固方法主要適用于一些大空間結(jié)構(gòu)中，梁、板、桁架、網(wǎng)架等水平結(jié)構(gòu)的加固。簡(jiǎn)單、可靠是增設(shè)支點(diǎn)加固法的優(yōu)點(diǎn)，存在的不足之處就是減小了建筑的有效使用空間。
?。ㄈ┱辰Y(jié)外包型鋼加固法
在被加固構(gòu)件的外邊包上型鋼或者鋼板就是我們所說(shuō)的外包鋼加固法。外包法可以分為濕式外包法和干式外包法兩種方法。濕式外包法就是采用環(huán)氧樹脂化灌漿等方法把型鋼與被加同構(gòu)件粘結(jié)成一整體。外包鋼加固法采用的就是濕式外包法，用這種方法加固后的構(gòu)件，受拉和受壓鋼截面面積會(huì)有大幅度的提升，進(jìn)而提高了正截面承載力和截面剛度。
?。ㄋ模┦軓潡U件可采用改變其截面內(nèi)力的方法進(jìn)行加固
改變荷載的分布，例如將一個(gè)集中荷載轉(zhuǎn)化為多個(gè)集中荷載，改變端部支承情況，例如變鉸接為剛結(jié)，增加中間支座或?qū)⒑?jiǎn)支結(jié)構(gòu)端部連接成為連續(xù)結(jié)構(gòu)，調(diào)整連續(xù)結(jié)構(gòu)的支座位置，將結(jié)構(gòu)變?yōu)閾螚U式結(jié)構(gòu)，施加預(yù)應(yīng)力。在施工過(guò)程中，比較常見的對(duì)受彎桿件的加固是通過(guò)改變其截面內(nèi)力的方法實(shí)現(xiàn)的，合理地調(diào)整受彎桿件的截面內(nèi)力可以改變荷載的分布，利用剛結(jié)的操作方法改變端部的支撐能力，采用整體連續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利用撐桿的獨(dú)特受力情況，及時(shí)調(diào)節(jié)受彎桿件的預(yù)應(yīng)力。
?。ㄎ澹?duì)桁架可采取改變其桿件內(nèi)力的方法進(jìn)行加固
我們知道撐桿式結(jié)構(gòu)可以增加結(jié)構(gòu)的承受能力，更好地將整體受體壓力進(jìn)行分散，達(dá)到桁架加固的目的。為了進(jìn)一步改變桁架桿件的內(nèi)力加設(shè)預(yù)應(yīng)力拉桿，使預(yù)應(yīng)力拉桿和撐桿式結(jié)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，共同完成桁架的加固任務(wù)。
?。┘哟髽?gòu)件截面的加固
構(gòu)件截面由于長(zhǎng)期暴露在空氣中，容易受到氣候和天氣因素的影響，會(huì)大大降低其本身的使用性能，不利于更好地發(fā)揮作用。在施工過(guò)程中，我們首先要認(rèn)真找到在構(gòu)件截面中出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)加固技術(shù)方案的要求，分析已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題的嚴(yán)重性，制定及時(shí)的補(bǔ)救措施。在彌補(bǔ)已經(jīng)存在問(wèn)題和缺陷的同時(shí)，還需要使用先進(jìn)的儀器設(shè)施增加加固技術(shù)的使用性和適應(yīng)性，在加大構(gòu)件截面穩(wěn)定性的前提下，使構(gòu)件截面和其他結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái)，共同完成加固改進(jìn)。
?。ㄆ撸┻B接的加固與加固件的連接
焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓連接方法是最常使用的鋼結(jié)構(gòu)連接方法，在連接加固的過(guò)程中需要根據(jù)不同種類的連接方法，設(shè)計(jì)具有針對(duì)性的加固方案。綜合考慮減輕荷載、改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻比裂紋擴(kuò)展等技術(shù)要求，認(rèn)真分析需要連接加固部位的作用和實(shí)際受力能力，進(jìn)行加固件的連接，提高各結(jié)構(gòu)承受外力的能力，和其抵抗外界環(huán)境和其他因素干擾的能力。
總之，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)突飛猛進(jìn)地發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)被越來(lái)越廣泛的重視和應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)工程在我國(guó)將得到前所未有的發(fā)展。作為鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)人員，面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的大量涌現(xiàn)，應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，加強(qiáng)學(xué)習(xí)有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)工程的專業(yè)知識(shí)與管理內(nèi)容，特別對(duì)鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)方面的一些問(wèn)題應(yīng)認(rèn)真細(xì)致的分析和研究，不出現(xiàn)絲毫漏洞，從而確保我國(guó)高層鋼結(jié)構(gòu)工程的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
