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浅谈钢结构加固设计

292 2020-09-14 13:04:37

    钢结构加固是对可靠性不足或产权人要求提高可靠度的钢结构、构件及其相关部分采取增强、局部更换或调整其内力等措施,使其具有现行设计标准及产权人所要求的安全性、适用性和耐久性。


    《钢结构加固设计标准》(GB51367-2019)于2019年11月22日发布,自2020年6月1日起实施。本文结合新的钢结构加固标准,介绍一些钢结构加固知识,不足之处欢迎指正。 




●1、钢结构加固流程




    加固改造设计的基本流程详见下图: 

加固改造设计的基本流程


    加固前,应根据建(构)筑物的种类,分别按现行国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》GB 50144和《民用建筑可靠性鉴定标准》GB 50292进行检测或鉴定。当与抗震加固结合进行时,尚应进行抗震能力鉴定。根据检测鉴定结果出具项目的检测鉴定报告。


    结构加固后的使用年限,应由产权人和设计单位共同商定。当结构的加固材料中使用结构胶粘剂或其他聚合物成分时,其结构加固后的使用年限宜按30年考虑,如需结构加固后的使用年限为50年时,其所使用的胶和聚合物的粘结性能,应通过耐长期应力作用能力的检验。


    钢结构的加固可分为直接加固与间接加固两类,设计时,可根据实际条件和使用要求选择适宜的加固方法及配合使用的技术。直接加固宜根据工程的实际情况选用增大截面加固法、粘贴钢板加固法和组合加固法。间接加固宜根据工程的实际情况采用改变结构体系加固法、预应力加固法。结构加固的连接方法宜采用焊缝连接、摩擦型高强螺栓连接,亦可采用焊缝与摩擦型高强螺栓的混合连接等。


    结构加固设计可采用线弹性分析方法计算结构的作用效应,并应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的 有关规定。结构的加固设计,应与实际施工方法紧密结合,采取有效措施,保证新增构件及部件与原结构连接可靠,新增截面与原截面结合牢固,形成整体共同工作,并不应对未加固部分,以及相关的结构、构件和地基基础造成不利的影响。




●2、钢结构加固材料




(1)原结构、构件材料的材料强度

    当结构可靠性鉴定认为原设计文件有效,且未发现结构构件或连接的性能有明显退化时,可采用原设计值。当结构可靠性鉴定认为应重新进行现场检测时,应采用检测结果推定的屈服强度或条件屈服点进行确定,当按现场检测的屈服强度推定值fy确定时,其抗拉强度设计值f应取fy与γR的比值,抗力分项系数γR应取为1.2。

    受有气相腐蚀的钢结构原构件,当其截面面积损失大于25%或其板件剩余厚度小于5mm时,其验算时的钢材强度设计值,尚应根据腐蚀等级乘以0.8~1.0强度降低系数。

(2)加固用钢材及焊接材料

    加固件的钢号应与原构件的钢号相同或相当,韧性、塑性及焊接性能应能与原构件钢材相匹配。结构加固用钢筋的品种宜选用HRB400级或HPB300级钢筋,其质量和性能应符合相关国家标。结构加固用焊接材料的质量和性能应符合相关国家标准。

(3)结构胶粘剂

    钢结构加固用的结构胶粘剂,应采用以钢为基材的结构胶,严禁采用以不饱和聚醋或醇酸树脂为主成分的胶粘剂。当使用环境为常温时,应采用I类AAA级或AA级常温结构胶; 当使用环境有高温时,应采用II类或III类耐温结构胶。




3、常用加固方法



(1)  增大截面法

    增大截面法加固可采用焊接连接、螺栓连接、铆钉连接和粘贴钢板等方式。负荷状态下,钢构件的焊接加固,应根据原构件的使用条件,校核其最大名义应力σ0max不得超过应力比限值规定,否则应采用其他增大截面的方法进行加固。


焊接加固构件的使用条件及其应力比限值

    加固后构件需满足现行设计标准的安全性、适用性及耐久性。以受弯构件为例,平面内受弯的加固构件,抗弯强度应满足以下公式:

其中f为钢材的抗弯强度设计值(MPa),取截面中最低强度级别钢材的抗弯强度设计值;

ηm为弯构件加固强度修正系数,对双侧加固按下表取值,对单侧加固按下表0.9倍取值。

ηm系数取值

     主平面内受弯的加固构件,其整体稳定性的验算应符合现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017的规定,稳定系数应按加固后截面计算,但验算时,应将钢材抗弯强度设计值f 改取为钢材换算强度设计值f’,并应乘以强度折减系数ηm。

    钢结构受弯构件加固后的总挠度不应超过现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017规定的限值。加固后受弯构件的总挠度ωT应包括加固前负荷下的初始挠度ω0,焊接时因加热、固化引起的焊接残余挠度ωw及焊后新增荷载下的挠度增量Δω。

(2)  粘贴钢板加固法

    粘贴钢板加固法可用于钢结构受弯、受拉、受剪实腹式构件的加固以及受压构件的加固。用本方法加固的钢结构,其长期使用的环境温度不应高于60℃;处于高温、高湿、介质侵蚀、放射等特殊环境的钢结构采用本方法加固时,除应按国家现行有关标准的规定采取相应的防护措施外,尚应采用耐环境因素作用的胶粘剂,并应按专门的工艺要求进行粘贴。

    受弯构件采用粘钢加固后,其受弯承载力以及受剪承载力的提高幅度,均不应超过30%。

    受弯承载力的加固计算,应考虑不能卸载的荷载引起的原构件应力σ0的影响,并引人针对不同使用条件类别构件的强度修正系数ηm,其计算公式如下:

    受弯构件的腹板上粘钢进行受剪加固时,对于承受静力荷载的构件应符合下列规定:

其中fv为计算部位原钢材的抗剪强度设计值,ηv受弯构件腹板粘钢加固强度修正系数,对于I、II类结构取为0.80,对其他类结构取为0.85。

    对受弯构件正弯矩区的正截面加固,其受拉面沿轴向粘贴的钢板的截断位置,应从其强度充分利用的截面算起,且粘贴延伸长度的取值应符合下式规定:




4、结语



    钢结构加固设计所面临的不确定因素远比新建工程多而复杂,需要设计人员根据专家鉴定结论、相关规范标准及业主要求综合考量。


参考文献:

《钢结构加固设计标准》GB 51367-2019,中国建筑工业出版社出版。


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