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鋼結構加固方法

相對于當今最常見的混凝土結構,鋼結構具備明顯的優勢。鋼結構自重輕,抗震性能好,資源回收價值高,被稱為可重復利用型與環保型綠色建筑。如今,鋼結構的數量,更標志著一個國家或地區的經濟實力,自我國提出在建筑中“積極、合理的用鋼”后,我國鋼結構的數量也在逐年呈上升趨勢。

增大截面焊接加固

焊接加固施工的便捷性和可靠性,往往是鋼結構加固中最傳統也是最直接的選擇。焊接加固即在結構受損部位焊接金屬蓋板或型鋼,對鋼結構起到加固補強的作用。焊接加固應用時間長,技術成熟度高,但存在焊接后材料性能變差、受操作人員影響程度高的風險。

增大橫截面法是一種基本的加固方法,尤其是在承載條件下,考慮長期以來,承載條件下焊接加固鋼結構工作是按照CECS:7796和YB9257-96兩本標準進行的,但由于兩者應力比限值及相關參數的取值上的差異,缺乏充分的實驗基數和數值分析,還存在著諸多不合理之處。

基于此,國標《鋼結構加固設計規范》編制組開展了承載條件下焊接加固鋼結構構件承載性能的研究工作,以提供增大截面焊接加固法的基礎數據和理論支持,包含新的技術要點。

粘鋼加固

粘貼鋼板加固法又稱粘鋼加固技術,其流程是在鋼結構表面用特制的建筑結構膠粘貼加固鋼板,使之黏結形成整體,共同承載,提高結構的穩固能力。

從國內部分學者對粘鋼加固技術的試驗研究來看,該技術具有無明火、作業面小、不影響結構外形等一系列優點,但是由于加固件與被加固件連接界面的受力復雜,容易在各種因素的作用下發生開裂,而且加固效果過于依賴結構膠層的作用發揮期,此方法在工程界受到一定程度的質疑。

另外,鋼結構加固還可通過在原有鋼結構上開孔,采用鉚接與螺接的形式對鋼結構進行加固。缺點就是,削弱了開孔處截面,容易產生新的應力集中。

碳纖維加固

1、工藝現狀

纖維增強復合材料的優點主要有強度大于剛度、抗疲勞性和耐腐蝕性好、現場可操作性強、施工周期短、保護原結構等等,而且因其優異的物理、力學性能,目前已廣泛用于混凝土結構和砌體結構的加固之中。

迄今為止,國內外學者對纖維增強復合材料在鋼結構加固領域中的應用已展開了大量的研究工作,國外的研究主要集中于受彎構件承載性能及疲勞加固方面;而國內則側重于受彎構件和受拉構件黏結加固的試驗研究,結合粘貼面的受力機制,得到了碳纖維布拉伸應變、黏結剪應力和有效黏結長度的計算公式,為粘貼纖維增強復合材料加固方法提供了理論支持。

在2016年就已經出版了碳纖維加固鋼結構的行業標準YB/T 4558-2016《纖維增強復合材料加固修復鋼結構技術規程》,這也為我們碳纖維加固鋼結構提供了有力的依據,并且碳纖維加固鋼結構在寶鋼、太鋼廠房等多個鋼結構構件中得到應用,最早的碳纖維加固鋼結構的實際案例距今已有15年,都取得了良好的效果。

2、關于粘接面的處理

在采用粘貼碳纖維復合材料加固鋼結構的時候,對鋼材表面和碳纖維復合材料(特指碳纖維板)表面的處理是碳纖維復合材料加固鋼結構的重要工序之一,也是加固成功或失敗的關鍵因素之一。

正常情況下,鋼材表面會存在一些不同程度的氧化物、銹跡、油污以及其他雜質;同樣,碳纖維復合材料在一系列加工、運輸、儲存的過程中表面也會存在種吸附物,而碳纖維復合材料加固鋼結構是借用結構膠粘劑將碳纖維材料和鋼材粘接在一起,使之共同受力,達到加固補強的目的,如果在表面存在雜質,將直接影響到粘接表面的內聚強度。

通常來說鋼材表面的處理一般表現為三個方面:

1、除去鋼材表面的油污及松散層,提高結構膠的粘結能力;

2、增加鋼材與碳纖維復合材料的有效粘貼面積;

3、提高粘接表面的內聚強度;

而這三個方面的相關影響因素則是粘接表面的清潔度和粗糙度,在實際使用中的鋼材都沒有經過鈍化處理,在其表面經常會有一層氧化物或者油污的雜質,這些雜質結構疏松,與基體的結合強度很低,影響了結構膠的粘結能力,降低了界面的粘結強度,所以需要對粘接表面進行清潔處理是十分有必要的。

對于截面較小的鋼結構來說,適當的將粘接表面粗糙化,一方面不僅提高了粘接表面積,另一方面膠粘劑還與表面的凸起物之間形成了微觀機械咬合力并提高了粘接表面的摩擦力,有效的提高碳纖維復合材料與鋼結構粘接表面的粘接力。

碳纖維布不需要處理,對于預成型碳纖維板來說,應該在其表面采取噴砂處理來增加碳纖維板的粗糙程度,以增加其粘附強度。在進行處理的工程中,應控制處理的程度和力度,不要使碳纖維絲裸露或有損傷,并將其表面用干燥的布清除表面殘留物。

組合加固

組合加固法是利用組合結構加固混凝土的原理,采用內填混凝土和外包混凝土的方式對鋼結構進行加固。內填混凝土加固法主要用于加固鋼管構件,使結構負載盡可能的卸除,但是在大多數情況下,由于初應力水平對結構構件承載力的影響,初始荷載難以卸除,也導致了外包混凝土在進行加固時,由于原構件所承受的荷載水平出現應力滯后的現象。

為便于設計人員在加固中使用,兩種組合加固法可以采用強度折減系數的概念,基于已有的研究成果,建立強度折減系數與初應力水平的量化關系,從而對加固后截面的承載能力進行折減。

預應力加固法

鋼結構預應力加固的原理是利用預應力鋼絞線對鋼結構整體或構件進行加固的方法,其本質是通過施加預應力降低原鋼結構應力水平,從而改變原鋼結構中的內力分布。

對鋼結構施加預應力進行加固主要適用于較大跨度及采用一般方法無法加固或加固效果不理想的較高應力、應變狀態下的大型鋼結構加固工程,可以達到加固原有鋼結構,改變原結構剛度與內力的效果,施工方便、成本低廉、預應力束可以單獨防腐或是更換。

1、優點

1)加固工作可在不卸載、不停產的條件下進行;

2)施加預應力可直接減小變形,迅速消除超逾應力和內力峰值;

3)與非預應力方式相比,可消除應力滯后現象,充分利用碳纖維高強特性,提高加固效率。

4)結合可靠錨固,可降低粘結界面的剝離應力,避免碳纖維整體剝落,提高加固的可靠性;

5)降低加固費用和使用成本。

2、不足

1)對已損壞的鋼結構,是否可以承受預應力碳板所施加的力;

2)鋼結構表面的平整程度決定著施工操作的難易程度;

3)結構膠與鋼結構粘接效果的確定。

預應力碳纖維板加固鋼結構除遵守一般鋼結構加固的準則與規定外,還應遵循預應力碳板加固的設計與計算原則。

總結

建筑工程中的鋼結構不可避免地存在各種缺陷和損傷。在荷載和環境等因素的作用下,材料發生變化,引起宏觀力學性能的劣化,導致鋼結構工程事故。

為確保結構安全工作,延長使用壽命就必須對損傷構件進行更換或加固,更換這些構件將造成極大的浪費,而且會影響結構的正常使用。

同時,結構損傷具有局部性和多發性特點,這些結構不可能在出現損傷時就立即退役。因此,尋求經濟高效的鋼結構加固技術既是土木工程領域亟待解決的技術問題,又是一個關系到社會可持續發展的問題。

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