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(qiáng)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(dá)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(jìn)行處理以達(dá)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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。
（四）建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)時，為了降低成本，使用一些達(dá)不到設(shè)計強(qiáng)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。
（六）建設(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(qiáng)度不足，進(jìn)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(dá)到極限狀態(tài)時，就會進(jìn)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。
（三）鋼結(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(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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
（一）改變鋼結(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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。
（五）對桁架可采取改變其桿件內(nèi)力的方法進(jìn)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(jìn)行分散，達(dá)到桁架加固的目的。為了進(jìn)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(bǔ)救措施。在彌補(bǔ)已經(jīng)存在問題和缺陷的同時，還需要使用先進(jìn)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(jìn)。
（七）連接的加固與加固件的連接
焊縫、鉚釘、普通螺栓和高強(qiáng)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(qiáng)度、阻比裂紋擴(kuò)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(jìn)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(jì)突飛猛進(jìn)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(jìn)，加強(qiáng)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(xì)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(jì)性和安全性。
