關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及加固方法的探討
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、勞動強度小等優(yōu)點，因此鋼結(jié)構(gòu)工程以其獨特的優(yōu)越憂，在建筑業(yè)被越來越廣泛的重視和應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)工程在我國起步較晚，尤其是高層建筑鋼結(jié)構(gòu)工程與發(fā)達國家相比較少，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的理論和設(shè)計經(jīng)驗不足，存在一些問題。因此，鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計方面的工作，成為我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)面臨的新問題。
一、分析鋼結(jié)構(gòu)加固的原因
隨著近年來各類建筑物改造工程的迅速發(fā)展，我們對建筑物的要求也越來越高，同樣對工程技術(shù)人員的要求也逐漸的提高，他們所面臨的主要問題就是如何采取有效措施對即有建筑物進行處理以達到其功能要求。當(dāng)出現(xiàn)以下狀況時，我們就要對已有鋼結(jié)構(gòu)進行加固，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)點的使用條件發(fā)生改變,另外就是經(jīng)檢查驗算結(jié)構(gòu)的強度、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，設(shè)計或者施工中存在問題使得鋼結(jié)構(gòu)存在缺陷，焊縫長度不足，桿件切口過長，使截面削弱過多就會造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷。
?。ǘ╀摻Y(jié)構(gòu)使用年限太長，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镌趯嶋H應(yīng)用過程中未能按照設(shè)計強度使用，超出了設(shè)計時的荷載，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。
?。ㄋ模┙ㄔO(shè)鋼結(jié)構(gòu)時，為了降低成本，使用一些達不到設(shè)計強度要求的鋼材。
?。ㄎ澹┑卣?、泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生會對鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。
?。┙ㄔO(shè)鋼結(jié)構(gòu)時沒能深入考察當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)，或基礎(chǔ)設(shè)計強度不足，進而使得鋼結(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)計問題
（一）設(shè)計方法方面
我國鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計步驟主要是:依據(jù)彈性方法計算鋼結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力，依據(jù)彈塑性方法驗算鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限承載力。由于鋼結(jié)構(gòu)達到極限狀態(tài)時，就會進人彈塑性變形階段，會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分布，按現(xiàn)在的方法設(shè)計，不能保證構(gòu)件承載力可靠度的一致性。
?。ǘ╀摻Y(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，在地震等級高時延性高的地震力小，延性差的地震力大，從抗高等級地震的性能來說，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，選用時應(yīng)慎重。
?。ㄈ╀摻Y(jié)構(gòu)樓板設(shè)計方面
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，震級較高的震區(qū)或重要鋼結(jié)構(gòu)，在柱的設(shè)計方面，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)計方面
1、設(shè)計反應(yīng)譜問題:地震記錄儀構(gòu)造使得很多大于3秒的強震被削弱，因此計算的反應(yīng)譜不真實，而建設(shè)部人為調(diào)整的譜曲線來保證鋼結(jié)構(gòu)安全性的抗震設(shè)計，可靠性需進一步驗證。
2、彈塑性地震反應(yīng)計算問題:目前我國沒有高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)計算程序，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)計問題:我國是一個多地震國家，國際上沒有這方面的研究，需要解決抗震設(shè)計原則、設(shè)計指標(biāo)和設(shè)計方法。
三、給鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及加固一點建議
?。ㄒ唬└淖冧摻Y(jié)構(gòu)計算圖形的加固法
所謂的改變鋼結(jié)構(gòu)計算圖形的加固法就是通過改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點性質(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)同工作等措施對結(jié)構(gòu)進行加固的方法，增加支撐形成空間結(jié)構(gòu)，并按空間結(jié)構(gòu)驗算，這是我們改變結(jié)構(gòu)計算圖形的一般方法。另外我們還會通過一些手段使得結(jié)構(gòu)的承載力和結(jié)構(gòu)動力特性得以改善，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)的長細比，比如增設(shè)支架或者輔助桿件來提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
（二）增設(shè)支點加固法
通過額外增設(shè)支撐點來承擔(dān)一部分負(fù)荷，減小結(jié)構(gòu)計算的跨度，進而使得結(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的增設(shè)支點加固法。在梁、板上增設(shè)支點后，不僅能夠通過減小建筑跨度，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。簡單、可靠是增設(shè)支點加固法的優(yōu)點，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有大幅度的提升，進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)力的方法進行加固
改變荷載的分布，例如將一個集中荷載轉(zhuǎn)化為多個集中荷載，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喼ЫY(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。在施工過程中，比較常見的對受彎桿件的加固是通過改變其截面內(nèi)力的方法實現(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)計增加端部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利用撐桿的獨特受力情況，及時調(diào)節(jié)受彎桿件的預(yù)應(yīng)力。
?。ㄎ澹﹁旒芸刹扇「淖兤錀U件內(nèi)力的方法進行加固
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行分散，達到桁架加固的目的。為了進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，共同完成桁架的加固任務(wù)。
?。┘哟髽?gòu)件截面的加固
構(gòu)件截面由于長期暴露在空氣中，容易受到氣候和天氣因素的影響，會大大降低其本身的使用性能，不利于更好地發(fā)揮作用。在施工過程中，我們首先要認(rèn)真找到在構(gòu)件截面中出現(xiàn)的問題，根據(jù)加固技術(shù)方案的要求，分析已經(jīng)出現(xiàn)問題的嚴(yán)重性，制定及時的補救措施。在彌補已經(jīng)存在問題和缺陷的同時，還需要使用先進的儀器設(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，共同完成加固改進。
?。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，在連接加固的過程中需要根據(jù)不同種類的連接方法，設(shè)計具有針對性的加固方案。綜合考慮減輕荷載、改變結(jié)構(gòu)計算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強度、阻比裂紋擴展等技術(shù)要求，認(rèn)真分析需要連接加固部位的作用和實際受力能力，進行加固件的連接，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，隨著國內(nèi)經(jīng)濟突飛猛進地發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)被越來越廣泛的重視和應(yīng)用，鋼結(jié)構(gòu)工程在我國將得到前所未有的發(fā)展。作為鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計人員，面對鋼結(jié)構(gòu)建筑的大量涌現(xiàn)，應(yīng)與時俱進，加強學(xué)習(xí)有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)工程的專業(yè)知識與管理內(nèi)容，特別對鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計方面的一些問題應(yīng)認(rèn)真細致的分析和研究，不出現(xiàn)絲毫漏洞，從而確保我國高層鋼結(jié)構(gòu)工程的經(jīng)濟性和安全性。
