10钢结构加固

9钢结构加固•本章提要•本章叙述了钢结构的加固方法——增加截面法。介绍了增加截面加固方法的构造要求，增加截面加固的计算，其中包括轴心受力构件的加固计算、受弯构件的加固计算、拉弯和压弯构件的加固计算。并介绍了连接的加固。10.1概述•在出现以下一些情况时，需要进行加固：•（1）由于使用条件的变化，荷载增大；•（2）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；•（3）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；•（4）有时出现结构损伤事故，需要修复。修复工作也带有加固的性质。10.2钢结构加固方法•钢结构的加固方法主要有：•增加截面法；改变结构计算简图法；减轻荷载法；增加构件、支撑和加劲肋法；增强连接等。•钢结构加固方法的确定主要根据施工方法、现场条件、施工期限和加固效果来加以选择。加固件与原结构要能够工作协调，并且不过多地损伤原结构和产生过大的附加变形。10.2.1增加截面法的截面加固形式•所谓增加截面的加固方法就是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（图10.1～图10.3）。10.2.2增加截面加固方法的构造要求•(1)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。•(2)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。•(3)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。•(4)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。•(5)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。10.3增加截面加固法的计算•10.3.1一般规定•(1)采用增加截面加固钢结构时，如果加固施工时能完全卸载，例如将构件全部拆卸下来放在地面上进行加固，加固件与原有构件的应力水平是相当的，加固后的构件的承载能力和刚度与相同截面的新构件没有什么差别，可按《钢结构设计规范》（GB50017）进行计算。•(2)采用增加截面加固钢结构时，如果在负荷状态下进行加固施工时，加固件与原有构件应力水平的差别会使加固后的构件的承载力和刚度降低，加固后构件的承载力的计算应根据荷载形态分别进行计算。••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，引入加固折减系数k：对轴心受力的实腹构件取o．8;对偏心受力构件、受弯构件和格构式构件取o．9。•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。•(3)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（β为原有构件中截面应力σ与钢材设计值f的比值，即β=σ/f）满足下列要求时，方可在负荷状态下加固：•承受静力荷载或间接动力荷载的构件，β≤0.8；•承受动力荷载的构件，β≤0.4。•(4)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。10.3.2轴心受力构件的加固计算•轴心受力构件的原有截面一般是对称的，若其损伤非对称性不大，可采用对称的加固方式；若其损伤非对称性较大，宜采用不改变截面形心位置的加固方式，以减少附加受力影响。当采用非对称或改变形心位置加固截面时，应按偏心受力构件处理。10.3.2.1轴心受力构件的强度•(1)承受静力荷载或间接动力荷载的构件•σ=N/An≤kf•式中N——加固后构件的轴心拉力或压力设计值；•An——加固后构件的净截面面积；•k——加固折减系数，取0.8；•f——钢材的强度设计值。•摩擦型高强度螺栓连接处的强度按下式计算：•σ=N′/An≤kf•N′=N(1-0.5n/n1)•式中n——加固后构件连接一侧的高强度螺栓总数；•n1——加固后构件计算截面（最外列螺栓处）上的高强度螺栓数；•0.5——孔前传力系数。•摩擦型高强度螺栓连接的加固拉杆，除按式（10.2）验算净截面强度外，还应按下式验算毛截面强度：σ=N/A≤kf式中A——加固后构件的毛截面面积。10.3.2.1轴心受力构件的强度•(2)承受动力荷载的构件•式中N1——加固过程中实有荷载（包括施工荷载）作用下的轴力的设计值；•——加固前的构件的净截面面积。•摩擦型高强度螺栓处的强度按下式计算：•式中n0——加固前构件连接一侧的高强度螺栓的总数；•——加固前构件计算截面（最外列螺栓处）上的高强度螺栓数。•摩擦型高强度螺栓连接加固后的拉杆，除按式（10.6）验算净截面强度外，还应按下式验算毛截面强度：N1/A0+(N-N1)A≤f•式中A0——加固前构件的毛截面面积。0nA01n10.3.2.2轴心受压构件的稳定性•（1）承受静力荷载或间接动力荷载的构件N/φA≤kf•式中φ——加固后轴心受压构件的整体稳定系数。•（2）承受动力荷载的构件•N1/φA+(N-N1)/φA≤f•式中φ——加固前轴心受压构件的整体稳定系数。00010.3.3受弯构件的加固计算•10.3.3.1在最大刚度主平面内受弯的实腹加固构件的强度计算•(1)抗弯强度•①承受静力荷载或间接动力荷载的构件：•Mx/Wnx+My/Wny≤kf•式中Mx、My——分别为加固后构件截面绕x轴和y轴的弯矩设计值；•Wnx、Wny——分别为加固后构件截面绕x轴和y轴的净截面模量；•k——加固折减系数，取0.9。•②承受动力荷载的构件：•式中Mx1、My1——分别为加固过程中的实际荷载（包括施工荷载）作用下绕x轴和y轴的弯矩设计值；•Wnx、Wny——分别为加固前构件截面绕x轴和y轴的净截面模量。fWMMWMWMMWMnyyynyynxxxnxx10110100（2）抗剪强度•①承受静力荷载或间接动力荷载的构件：•式中V——加固后构件所受的剪力设计值；•S——加固后构件在计算剪力处以上毛截面对中和轴的毛截面模量；•I——加固后构件的毛截面惯性矩；•tw——加固后构件腹板的厚度；•k——加固折减系数，取0.9；•fv——钢材的抗剪强度设计值。•②承受动力荷载的构件：•式中V1——加固过程中实际荷载（包括施工荷载）作用下的剪力设计值；•I0——加固前构件的毛截面惯性矩；•S0——加固前构件在计算剪力处以上毛截面对中和轴的毛截面模量；•t0w——加固前原有构件腹板的厚度。（3）局部承压强度•承受动力荷载时，当加固后梁上翼缘受到沿腹板平面作用的集中荷载，且该荷载处又未设置支承加劲肋时，腹板计算高度上边缘的局部承压强度应按下式计算：•式中F——集中荷载设计值，对动力荷载应考虑动力系数；•ψ——集中荷载增大系数：对重级工作制吊车梁，ψ=1.35；对其他梁ψ=1.0；•lz——集中荷载在腹板计算高度上边缘的假定分布长度。（4）折算应力•加固后组合梁的腹板计算高度边缘处，若同时受有较大的正应力、剪应力和局部压应力，或同时受有较大的正应力和剪应力（如连续梁支座处或梁的翼缘截面改变处等），其折算应力应按下式计算：•式中σ、τ、σc——分别为加固后构件腹板计算高度边缘同一点上同时产生的正应力、剪应力和局部压应力；•β1——计算折算应力的强度设计值增大系数，当σ和σc异号时，取β1=1.2；当σ与σc同号时，取β1=1.1。10.3.3.2在最大刚度主平面内受弯的实腹加固构件的稳定性计算•（1）承受静力荷载或间接动力荷载的构件•Mx/φbWx≤kf•式中Mx——加固后构件应承受的绕x轴的弯矩设计值；•φb——加固后构件截面确定的整体稳定系数；•Wx——加固后构件截面绕x轴的毛截面模量；•k——加固折减系数，取0.9。•（2）承受动力荷载的构件：•式中Mx1——加固过程中实有荷载（包括施工荷载）作用下，绕x轴的弯矩设计值；•φb——按加固前的梁截面确定的整体稳定系数；•Wx——加固前的梁按受压纤维确定的对x轴的毛截面模量。0010.3.3.3加固后构件的刚度•受弯构件的刚度用荷载（标准值）作用下的挠度大小来度量。•(1)当在卸荷状态下加固时，其挠度的计算方法与新结构一样。•(2)当在负荷状态下加固时，其挠度按下式计算：v=v1+v2≤［v］•式中v1——构件在加固过程中的实有荷载（包括施工荷载）标准值作用下产生的挠度；•v2——加固后构件在增加荷载标准值作用下产生的挠度；•［v］——受弯构件的容许挠度值，详见《钢结构设计规范》。•至于在加固过程中因焊接而产生的挠度宜通过施工措施来解决。•连接的加固问题主要有三种情况：•①原有连接承载能力不足而对其进行加强，如对原有焊缝加长加高，增加螺栓或铆钉的个数或直径等；•②原有构件承载能力不足，需要用加固件进行加固，加固件与原有构件要进行可靠的连接；•③节点加固，如加强节点板、增加连接件和独立的焊缝等。连接的加固方法根据加固的原因、目的、受力状态、构造和施工条件，并考虑原有结构的连接方法而确定，可采用焊接、高强度螺栓连接和焊接与高强度螺栓混合连接的方法。10.4连接的加固•新增加的连接单独受力时，与设计新结构的连接没有什么不同，可按现行《钢结构设计规范》设计计算。与原结构连接共同受力时，要考虑新旧连接应力水平和工作性能上的差异，分别进行计算。加固用的连接材料和连接件宜与结构钢材和原连接材料相匹配，如果原有材料已不再生产，必须使用不相匹配的材料时，应进行专门的研究，并找到可靠的依据。10.4.1焊缝连接的加固•一般说来，焊缝连接比螺栓或铆钉连接要方便，不需要现场打孔，易于施工。在原结构使用焊缝连接的情况下自然要采用焊缝连接。即使原结构不是采用焊缝连接，但如果加固处允许焊接，也可考虑采用焊缝连接。•如图10.9(a)所示的节点，腹杆只用侧面角焊缝连于节点板，就可以加设正面角焊缝进行加固。如果加设正面角焊缝还不够，则可以加高原有角焊缝，但加高焊缝只能在一定限度之内。角钢肢尖焊缝不超过角钢厚度，角钢肢背焊缝不能超过角钢厚度的1.5倍，如图10.9(b)所示。当增加焊缝高度有困难时，可以像图10.9(c)那样在加大节点板的基础上加长焊缝。铆接的构件可以像图10.9(d)那样用焊缝进行加固。焊接杆件加长角焊缝还可以借助于短斜板，如图10.10所示，这种做法比加大节点板要简便得多。10.4.2螺栓连接的加固•钢结构加固中适宜采用螺栓连接的情况有以下几种场合：•（1）螺栓连接施工较方便的场所。钢结构构件连接不外乎焊接、铆钉连接和螺栓连接（包括普通螺栓和高强度螺栓）几类。目前铆钉连接由于工艺落后已很少采用。焊接连接一般说来施工更简便，但要有焊机及合格的焊工，