吳磊+李仁龍

摘要： 本文將結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)損壞的成因深度解析鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)及其應(yīng)用方法，為建筑施工領(lǐng)域更好地處理鋼結(jié)構(gòu)缺陷提供有專業(yè)價(jià)值的參考資料，對(duì)同行進(jìn)行啟迪。

Abstract： Combined with the cause of the damage of steel structure， this paper in depth analyzes steel structure reinforcement technology and its application methods， in order to provide valuable reference materials for the construction industry to better handle the defects of steel structure， and to enlighten the peers.

關(guān)鍵詞： 既有鋼結(jié)構(gòu)；檢測；技術(shù)應(yīng)用

Key words： existing steel structure；inspection；technology application

中圖分類號(hào)：U445.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）31-0111-03

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材制作為主的結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是由型鋼和鋼板等制成的鋼梁、鋼柱、鋼桁架等構(gòu)件；各構(gòu)件或部件之間采用焊縫、螺栓或鉚釘連接的結(jié)構(gòu)，是主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一。

隨著我們國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度不斷上升，建筑行業(yè)作為國家的支柱行業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位正在呈現(xiàn)出上升趨勢。建筑物作為人類生產(chǎn)制造的非自然產(chǎn)物，其最顯著的特點(diǎn)就是要滿足人類社會(huì)的基本需求，但是根據(jù)資料顯示，我們國家現(xiàn)有的建筑物狀況并不樂觀。首先，有大量的建筑物其自身的可靠性程度很低，一部分建筑物甚至完全沒有達(dá)到當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，上個(gè)世紀(jì)八十年代末生產(chǎn)建筑的一批房屋建筑，其中嚴(yán)重處于不達(dá)標(biāo)線的面積大約為3000萬m2左右，接近全國當(dāng)時(shí)住宅面積的1%，工業(yè)以及商業(yè)建筑當(dāng)中嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)甚至是危險(xiǎn)區(qū)間的建筑面積約為1400萬m2，接近當(dāng)時(shí)全部工商建筑面積的3%左右。正是在這種危險(xiǎn)狀況的構(gòu)建下，建筑業(yè)的重心已經(jīng)逐步從“制造”轉(zhuǎn)移到了“維修”上。鋼結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象已成為阻礙鋼構(gòu)建筑可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)相當(dāng)嚴(yán)重的問題。

本文將結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)損壞的成因深度解析鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)及其應(yīng)用方法，為建筑施工領(lǐng)域更好地處理鋼結(jié)構(gòu)缺陷提供由專業(yè)價(jià)值的參考資料，對(duì)同行進(jìn)行啟迪。

1 鋼結(jié)構(gòu)損壞的類型及成因

鋼結(jié)構(gòu)也有損壞的時(shí)候，我們要及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)解決。鋼結(jié)構(gòu)損壞的主要類型和成因有：

①由荷載變化、超期服役、規(guī)范和規(guī)程改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足。

②構(gòu)件由于各種意外產(chǎn)生變形、扭曲、傷殘、凹陷等，致使構(gòu)件截面削弱，桿件翹曲，連接開裂等。

③溫差作用下引起構(gòu)件或連接變形、開裂和翹曲。

④由于化學(xué)物質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕以及電化學(xué)腐蝕致使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面削弱。鋼結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境構(gòu)建下，由于受到了大氣當(dāng)中的水分、氧氣以及對(duì)應(yīng)的其他污染源的化學(xué)作用而十分容易被腐蝕。一般說來，在大氣中的水分如果被鋼結(jié)構(gòu)吸附到表面之上，所形成的水膜就是對(duì)鋼材造成直接腐蝕的最為關(guān)鍵的因素。同理，大氣當(dāng)中的相對(duì)濕度以及對(duì)應(yīng)的空氣污染物含量也會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕造成很大的影響。

⑤其他包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工中的失誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。

2 鋼結(jié)構(gòu)加固方法

2.1 主要的加固方法

根據(jù)損害范圍，鋼結(jié)構(gòu)損壞所采用的加固方法主要有局部加固和全面加固。

局部加固是對(duì)某承載能力不足的桿件或連接節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加固，有增加桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節(jié)點(diǎn)加固法。

全面加固是對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，有不改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法和改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法兩類。

除此以外，增加或加強(qiáng)支承體系，也是對(duì)結(jié)構(gòu)體系加固的有效方法。

2.2 主要的加固技術(shù)措施

鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)措施主要有三種：

①截面補(bǔ)強(qiáng)法：在局部或沿構(gòu)件全長以鋼材補(bǔ)強(qiáng)，連成整體使之共同受力；

②改變計(jì)算簡圖：增設(shè)附加支承，調(diào)整荷載分布情況，降低內(nèi)力水平，對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)支座進(jìn)行強(qiáng)迫位移，降低應(yīng)力峰值；

③預(yù)應(yīng)力拉索法：利用高強(qiáng)拉索加固結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或提高結(jié)構(gòu)整體承載力、剛度和穩(wěn)度。

3 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)研究

3.1 預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)原理

預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)包括直接粘貼法和整體加固法。直接粘貼法是將兩端錨固并施加預(yù)應(yīng)力后，通過膠粘劑粘貼在鋼結(jié)構(gòu)的表面，一般適用于構(gòu)件表面較平整的拉桿，對(duì)構(gòu)件或其局部進(jìn)行加固。整體加固法是將束作為預(yù)應(yīng)力拉索調(diào)整應(yīng)力，適用于對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固。

3.2 預(yù)應(yīng)力加固的原則

預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)除遵守一般鋼結(jié)構(gòu)加固的準(zhǔn)則與規(guī)定外，還具有以下的特點(diǎn)：

①進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)必須首先確定一些與調(diào)整應(yīng)力有關(guān)的參數(shù)，例如輔助平衡力大小、預(yù)應(yīng)力力度、預(yù)應(yīng)力卸載彎矩值、支座標(biāo)高的位移值等；

②要確定調(diào)整應(yīng)力時(shí)的合理荷載值或應(yīng)力水平，換言之，要分析判斷加固結(jié)構(gòu)時(shí)是否需要全部卸載，或卸載至某一水平。

另外，在加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)遵守下列原則：

①加固件與被加固件皆在材料彈性范圍內(nèi)受力，兩者在荷載下同時(shí)達(dá)到材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

②充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力，加固件的預(yù)應(yīng)力度可使被加固件的應(yīng)力卸載至其反向應(yīng)力的極值；

③預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中同樣應(yīng)當(dāng)考慮預(yù)應(yīng)力加載系數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)、工作條件系數(shù)、荷載系數(shù)等。

3.3 加固方法

3.3.1 選材

結(jié)構(gòu)加固用碳纖維主要選用PAN基碳纖維，極限強(qiáng)度可達(dá)3500MPa，彈性模量約為2.35×109MPa。樹脂體系采用環(huán)氧類材料。

3.3.2 加固工藝

①先用粗砂紙打磨構(gòu)件的粘結(jié)區(qū)域，清理構(gòu)件表層，用丙酮或酒精溶液擦洗表面，去除污染物，晾置干燥，用粘結(jié)劑浸潤表面；

②在設(shè)計(jì)要求的位置打孔，應(yīng)遠(yuǎn)離待加固部位以免造成二次損傷；

③在纖維布表面抹膠，將纖維束間的空隙初步封閉，稍干硬后進(jìn)行灌膠；

④膠稍干后第二次施加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力（利用擠壓效應(yīng)，提高粘貼質(zhì)量），用膠將纖維束充分浸透，提高共同工作性能；

⑤常溫下48小時(shí)后（氣溫較低時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長時(shí)間），膠充分硬結(jié)后，割除多余的螺桿，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求進(jìn)行表面防護(hù)處理。

4 鋼結(jié)構(gòu)加固效果可靠性評(píng)定

4.1 鋼結(jié)構(gòu)加固可靠性評(píng)定的必要性

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)過一段時(shí)間的使用之后，我們就需要對(duì)其進(jìn)行針對(duì)承載力和可靠性的評(píng)定思路構(gòu)架并進(jìn)行結(jié)果處理探索。這是因?yàn)槿缦碌膸追N原因：

①當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑物的使用性質(zhì)發(fā)生了變化的時(shí)候，原有的建筑結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足需求，比如增加荷載或者增加網(wǎng)格等等，這就需要進(jìn)行重新評(píng)定是否可以繼續(xù)使用以及進(jìn)行加固處理。

②各種意外的發(fā)生直接導(dǎo)致了建筑物自身的鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了十分明顯的損傷，因此需要重新評(píng)估來進(jìn)行探索建筑物繼續(xù)使用的可能性。

③建筑物因?yàn)殚L時(shí)間使用，各種構(gòu)件構(gòu)成了多種形式組合的損傷，如果對(duì)建筑物不進(jìn)行管理，就要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測構(gòu)建，避免出現(xiàn)安全問題。

④由于建筑本身在施工過程中存在建筑失誤或者安全隱患，并且建筑物已經(jīng)使用了很長時(shí)間，無法推倒重建，因此只能進(jìn)行加固補(bǔ)救，首先需要評(píng)估和檢測。

4.2 評(píng)定階段檢測單元的劃分內(nèi)容

針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的涂層厚度，我們國家一般采用的數(shù)值是85%，也就是最低的厚度不會(huì)低于設(shè)計(jì)厚度的85%。針對(duì)這些涂層，我們要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元的劃分處理方便分別檢測。但是鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，同時(shí)大小也是各不相等。如果劃分的內(nèi)容過大的話，那么控制點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)呈現(xiàn)出過大的數(shù)量，但是如果劃分過于細(xì)致的話，那么檢測標(biāo)準(zhǔn)也就出現(xiàn)隱性提升的趨勢。因此我們?nèi)绻鶕?jù)施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析的話，就可以從下列的幾個(gè)方面進(jìn)行整體的考慮：首先是按照個(gè)體的區(qū)別進(jìn)行劃分，然后是按照面積的處理方式進(jìn)行劃分，其次就是按照鋼結(jié)構(gòu)自身的部位進(jìn)行劃分，最后是按照工作情況進(jìn)行劃分處理。以上三點(diǎn)就是檢測單元的劃分思路構(gòu)建。

4.3 加固效果評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)議跟建筑施工時(shí)候的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)驗(yàn)收都不一樣，他要求建筑在已經(jīng)指定的時(shí)間狀態(tài)以及明確的長時(shí)間使用歷史以及對(duì)未來繼續(xù)使用的要求下，對(duì)未來進(jìn)行使用的安全性和適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。由于建筑物已經(jīng)經(jīng)過了長時(shí)間的使用，因此在若干次維修以及加固的前提下，建筑物本身的結(jié)構(gòu)已經(jīng)和原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)牟町?，加上隨著時(shí)間的變化，原有建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候必然有后來判斷為漏洞但當(dāng)時(shí)無法看出的情況出現(xiàn)，所以在進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定的時(shí)候，建筑結(jié)構(gòu)本身的合理性向來不在考慮的范圍之內(nèi)，而是在于建筑本身進(jìn)行繼續(xù)使用的前提下所必需的安全性。因此，在安全的大前提下鋼結(jié)構(gòu)自身承載力的計(jì)算必須要對(duì)各種結(jié)構(gòu)自身的缺陷和損傷以及超載進(jìn)行考慮和研究。這樣不僅可以避免對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行大面積破壞，避免出現(xiàn)大拆大卸沒有什么事情卻反而搞出事情的情況發(fā)生，還可以對(duì)拆卸費(fèi)用以及改造費(fèi)用精打細(xì)算，把生產(chǎn)對(duì)建筑的影響降到最低點(diǎn)。一般說來，我們需要計(jì)算鋼材自身強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，但是對(duì)于已有建筑，會(huì)出現(xiàn)以下的情況：

①建筑檔案當(dāng)中的鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在當(dāng)時(shí)施工設(shè)計(jì)的時(shí)代是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的。

②建筑檔案鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在當(dāng)時(shí)施工設(shè)計(jì)的時(shí)代不符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

③由于建筑年代太久或者由于各種意外，建筑檔案資料已經(jīng)被遺失了。

針對(duì)這三種特殊情況我們可以這樣進(jìn)行剛才強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的構(gòu)架：首先是剛才本身的抗拉以及抗壓設(shè)計(jì)數(shù)值f，我們可以把它們按照鋼材自身的屈服強(qiáng)度fy，或者是抗拉強(qiáng)度fu與抗力的分項(xiàng)系數(shù)γr1進(jìn)行數(shù)值上的確定，同時(shí)我們可以取抗剪的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.58f。

對(duì)于在上文中提到的第一種情況來說，鋼材自身的屈服強(qiáng)度fy可以按照設(shè)計(jì)的年份對(duì)應(yīng)的國家規(guī)定最小數(shù)值進(jìn)行取值，對(duì)應(yīng)的數(shù)值γr1的數(shù)值取值可以按照1.1的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

針對(duì)第二項(xiàng)情況，我們把對(duì)應(yīng)的鋼材自身的屈服強(qiáng)度fy或者是抗拉強(qiáng)度fu按照當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的時(shí)候所保留的鋼材質(zhì)保書或者是復(fù)驗(yàn)報(bào)告當(dāng)中的最低值進(jìn)行取值，同時(shí)按照鋼材自身的屈服強(qiáng)度fy進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值確定的時(shí)候，抗力的分項(xiàng)系數(shù)γr1構(gòu)建下的取值一般設(shè)置為1.2，如果說設(shè)計(jì)值取決于鋼材自身的抗拉強(qiáng)度fu的時(shí)候，那么抗力的分項(xiàng)系數(shù)γr1的數(shù)值則可以取為1.5。如果出現(xiàn)了最為糟糕的第三種情況，那么我們就需要把同樣的一類鋼材看作是同一批生產(chǎn)出來的材料，進(jìn)行最少數(shù)量為3個(gè)的抽樣檢測并進(jìn)行材料力學(xué)試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的最小值來確定對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)數(shù)值，并在這個(gè)時(shí)候把抗力的分項(xiàng)系數(shù)γr1設(shè)置成為1.2。

下面我們進(jìn)行定量化的探索和分析。首先是對(duì)所有的傳力樹進(jìn)行等級(jí)評(píng)定。我們首先可以找到其中等級(jí)最差的一榀排架作為研究目標(biāo)進(jìn)行分析，因?yàn)槿绻鼈兪t整個(gè)廠房都將出現(xiàn)危險(xiǎn)，然后基于二階矩原理，我們可以對(duì)單獨(dú)的一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行可靠度的單獨(dú)計(jì)算和編制，緊接著我們可以通過FTA方法，也就是故障樹原理對(duì)整體的承重結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析，最后我們還可以使用故障樹定量分析的思路進(jìn)行獨(dú)立近似公式的計(jì)算：

在上面的式子當(dāng)中，Q就表示當(dāng)前的承重結(jié)構(gòu)整體框架被破壞事件發(fā)生的幾率，Q（Mi）則表示基本事件，比如屋面板或者是屋架等地點(diǎn)發(fā)生破壞事件的概率。

就可以單獨(dú)求出當(dāng)前稱重體系的可靠程度構(gòu)建。圖1是具體的操作步驟。

一般說來，已有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的可靠指標(biāo)β可以對(duì)某項(xiàng)構(gòu)建在使用期限之內(nèi)能夠完成功能的能力進(jìn)行間接的預(yù)測。所以我們可以根據(jù)β和[β]，也就是目標(biāo)可靠指標(biāo)之間的關(guān)系來進(jìn)行已有結(jié)構(gòu)的構(gòu)件工作狀態(tài)審核。一般來說，有以下幾種情況：

①β>[β]則表明承重結(jié)構(gòu)完好，可以繼續(xù)完成工作使命。

②0.85[β]<β<[β]則表明承重結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一定程度的破損，盡管可以繼續(xù)使用，但是我們需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控以防止出現(xiàn)意外。

③β<0.85[β]則表明該承重結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了巨大的問題，必須要進(jìn)行強(qiáng)化加固。

5 結(jié)論

建筑檢測是當(dāng)前我們國家建筑行業(yè)當(dāng)中的一個(gè)重要方面。為了避免造成經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，我們必須對(duì)現(xiàn)有的建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估并進(jìn)行下一步操作，來確定是維修還是拆除。因此鋼結(jié)構(gòu)檢測加固就成為了當(dāng)前的一個(gè)重要課題。本文從若干個(gè)方面分析了鋼結(jié)構(gòu)的檢測加固技術(shù)，希望能和同行共勉。

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