浅议钢结构加固设计流程及相关原则

来源：钢结构设计

作者：木子青见

来源：结构菜鸟人生公众号，作者：木子青见钢结构加固基本知识

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钢结构加固基本知识

1.加固场景

由于使用条件的变化， 荷载增大 ；
由于设计或施工工作中的缺点，结构或其局部的 承载能力 达不到设计要求；
由于磨损、锈蚀，结构或节点受到削弱，结构或其局部的承载能力达不到原来的要求；
出现结构 损伤事故 ，需要修复。

2.钢结构缺陷

先天缺陷

冶炼及轧制缺陷。在冶炼和轧制时，因工艺参数控制不严等产生表面缺陷和内部缺陷。如偏析、夹杂、裂纹、分层、过烧、气泡、内部破裂及机械性能不合格等。
化学成分缺陷。有害杂质对钢材性能的影响极大，应加以严格控制。

加工缺陷

钢构件外型尺寸超公差。
表面清洗防锈不合格；

构件热加工引起的残余应力；
构件冷加工引起钢材硬化和微裂纹；

冲孔未作加工，存在硬化区和微裂纹；
孔径误差；

切割边未加工或达不到要求；
放样、号料尺寸超公差；

原材料矫正引起冷作硬化；
选材不合格；

连接缺陷

焊接连接缺陷

1）焊接材料不合格。一是焊接材料本身质量问题；二是焊接材料与母材不匹配。
2）焊接引起焊缝热影响区母材的塑性和韧性降低，使钢材硬化、变脆和开裂。

3）因焊接产生较大的焊接残余变形。
4）因焊接产生严重的残余应力或应力集中。

5）焊缝存在的各种缺陷。如裂纹、焊瘤、边缘未熔合、未焊透、咬肉、夹渣和气孔等。

螺栓连接缺陷

1）螺栓孔引起构件截面削弱；
2）普通螺栓连接在长期动载作用下的螺栓松动；

3）高强螺栓连接预应力松弛引起的滑移变形；
4）螺栓及附件钢材质量不合格；

5）孔径及孔位偏差；
6）摩擦面处理达不到设计要求。

钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷

不能定期维护，致使结构腐蚀严重，影响到结构的耐久性。
使用期间由于地基不均匀沉陷、温度应力以及人为因素造成的结构损坏；

现场焊接及螺栓连接质量达不到设计要求：
安装过程中没有足够的临时支撑或锚固，导致结构或构件产生较大变形，丧失稳定性，甚至倾覆；

吊装过程中引起结构或构件较大的变形和局部失稳；
运输过程中引起结构或构件较大的变形和损伤；

3.钢结构检测

结构布置形式和构件尺寸检查，设计和施工的档案资料齐全时，本项检查仅用作校核，可只进行部分结构抽检。无设计和施工的档案资料或该资料残缺不全时，应进行实际结构的测绘工作
屋盖系统检查
吊车梁系统的检测
支承系统检测
围护系统的检测
荷载的检测
根据结构的设计和施工档案资料难以确定钢材性能，或现场检查有疑义时，应对钢材进行检验
构件锈蚀的检查、焊缝的检测、缺陷的检查

4.加固方法

增大截面法加固

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基本概念

在原有结构的杆件上增设新的加固构件，使杆件截面积加大从而提高承载能力和刚度的方法。
增加截面的加固方法涉及面窄，施工较为简便，尤其在满足一定前提条件下，还可在负荷状态下加固，因而是钢结构加固中最常用的方法。
采用增加截面的加固方法，应考虑构件的受力情况及存在的缺陷，在方便施工、连接可靠的前提下选取最有效的加固形式。

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一般规定

1. 关于负荷与卸载的相关规定

如果加固施工时能完全卸载，且构件及连接缺陷已得到修复，加固后的构件的承载能力和刚度可按《钢标》进行计算
如果在负荷状态下进行加固施工时，应考虑承载力和刚度折减

对承受动力荷载的构件，采用“原有构件截面边缘屈服”的准则。即加固时的荷载由原有构件单独承担，加固后新旧截面共同工作，但不考虑塑性变形后新旧截面的 应力重分布 ，加固前原有构件的应力与加固后增加应力之和不应大于钢材的强度设计值。
对承受静力荷载或间接动力荷载的构件，在一般情况下可考虑原有构件和加固件之间的应力重分布，按加固后整个截面进行承载力计算。但为了考虑多种随机因素的影内，引入折减系数。

在负荷状态下，采用焊接方法加大构件截面，应首先根据原有构件的受力、变形和偏心状态，校核其在加固施工阶段的强度和稳定性，原有构件的β值

2. 关于形心轴的问题

钢构件加固后，应注意截面 形心轴的偏移 。
计算时应将偏心的影响包括在加固后增加的荷载效应内，当形心轴的偏移值小于5%截面高度时，在一般情况下可忽略其不利影响。

3. 加固的概念设计

加固件应有明确、合理的 传力途径 ;
加固件与被加固件应能可靠地 共同工作 ，并采取措施保证截面的不变形和板件的稳定性;
对轴心受力、偏心受力构件和非简支受弯构件，其加固件应与原构件支座或节点有可靠的 连接和锚固;
加固件的布置不宜采用导致截面 形心偏移 的构造方式;
加固件的切断位置，应以最大限度 减小应力集中 为原则，并应保证未被加固处的截面在设计荷载作用下仍处于弹性工作阶段。

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加固形式

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加固构造要求

应保证加固构件有合理的传力途径，保证加固件与原有构件能够共同工作。无论是轴心受力构件还是偏心受力构件的加固，加固件均宜伸入到原有构件的支座或节点板范围内并且有可靠的连接。对受弯构件的加固， 加固件的截断位置也要伸出理论断点一定的距离 ，以保证在理论断点之前加固件能充分发挥作用。
加固件的布置应适应原有构件的几何形状或已发生的变形情况，以利施工。但也应尽可能地采用不引起截面 形心轴偏移 的形式，不可避免时，应在加固计算中考虑形心轴偏移的影响。
负荷状态下用焊接方法增加构件截面面积时，在保证加固件与原有构件共同工作的前提下，加固件的焊缝宜对称布置， 采用较小的焊脚尺寸以减小焊接变形和焊接残余应力，并竭力避免仰焊 。
增加截面的加固不应造成施工期间对原有构件承载能力的过多削弱。不论原有结构是栓接结构还是焊接结构，只要钢材具有良好的可焊性，应 尽可能采用焊缝 连接方式。当采用高强度螺栓连接时，在保证加固件和原有构件共同工作的前提下，应选用较小直径的高强度螺栓。采用焊缝连接时， 不宜采用与原有构件应力方向垂直的焊缝。
轻钢结构中的小角钢和圆钢杆件 不宜在负荷状态下焊接 ，必要时应采取适当措施。圆钢拉杆严禁在负荷状态下用焊接方法加固。因为焊接时，焊缝热影响区内的强度急剧下降，直接影响到加固施工的安全。

粘钢法加固

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一般规定

考虑到胶粘结构的 可靠性和耐久性 ，本方案应用于现场 不适宜焊接 以及要求加固 周期比较短 的钢结构加固工程
加固钢结构构件表面宜采取喷砂方法处理
最外层表面及每层钢板的周边均应进行 防腐蚀 处理
长期使用的环境温度 不应高于60℃ ，应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016耐火等级及耐火极限的规定，并应对胶粘剂和钢板进行防护
宜在加固前采取措施卸除或大部分 卸除作用 在结构上的活荷载

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计算要求

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

轴心受力

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构造要求

采用手工涂胶粘贴的单层钢板厚度不应大于5mm，采用压力注胶粘贴的钢板厚度不应大于10mm。
为避免胶层出现应力集中而提前破坏，宜将粘贴钢板端部削成30°斜坡角，且不应大于45°。
加固件的布置不宜采用引起截面形心轴偏移的形式，不可避免时，应在加固计算中考虑形心轴偏移的影响。
腹板局部稳定加固
在受弯构件的受拉边或受压边钢构件表面上进行粘钢加固时，粘贴钢板的宽度不应超过加固构件的宽度;其受拉面沿构件轴向连续粘贴的加固钢板宜延长至支座边缘，且应在包括截断处的钢板端部及集中荷载作用点的两侧设置不少于2M12的连接螺栓作为粘钢端部的机械锚固措施;对受压边的粘钢加固，尚应在跨中位置设置不少于2M12的连接螺栓。

改变结构体系加固

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一般规定

可采用改变荷载分布方式、传力途径、节点性质、边界条件、增设附加杆件、施加预应力或考虑空间受力等措施对结构进行加固。
改变结构体系的加固设计，除应考虑结构、构件、节点、支座中的内力重分布与二次受力外，尚应考虑新体系对相关部分的地基基础和结构造成的影响。
采用改变结构体系加固法时，其设计应与施工紧密配合；未经设计允许，不得擅自修改设计对施工的要求。

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改变体系方案

可增设支撑系统形成空间结构并按空间受力进行验算
可增设支柱或撑杆增加结构刚度
可增设支撑或辅助杆件使构件的长细比减小提高稳定性
在排架结构中，可重点加强某柱列的刚度
可通过将一个集中荷载转化为多个集中荷载改变荷载的
在桁架中，可通过将端部铰接支承改为刚接改变其受力状态
可增设中间支座，或将简支结构端部连接成为连续结构；对连续结构，可采取措施调整结构的支座位置
在空间网架结构中，可通过改变网络结构形式提高刚度和承载力;亦可在网架周边加设托梁，或增加网架周边支撑点，改善网架受力性能;
可采取措施使加固构件与其他构件共同工作或形成组合结构进行加固

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构造要求

改变结构体系所采用的支柱、支撑、撑杆等，其端部应与被加固结构构件可靠连接，且连接的构造不应过多削弱原构件的承载能力。
钢结构加固所使用的支柱、支撑、撑杆等，当直接支承于基础时，可按一般地基基础构造进行处理；当其端部以梁、柱为支承时，宜选用型钢套箍的构造方式。

预应力加固

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一般规定

加固材料

中、高强度的钢丝、钢绞线、钢拉杆、钢棒、钢带或型钢，亦可采用碳纤维棒或碳纤维带

加固原则

预应力加固钢结构的设计验算，应计入预应力的作用效应，预应力的作用效应属永久荷载效应，并应考虑预应力施加的张拉系数、预应力损失系数的影响。
采用预应力加固的钢结构构件，除应根据设计状况进行承载能力验算及正常使用极限状态验算外，尚应对施工阶段进行验算。当原结构上既有荷载较小或尚未施加时，加固所用预应力大小不应在施工阶段导致原梁发生局部或整体失稳。