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《钢结构加固设计规范》编制浅析

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? 《钢结构加固设计规范》编制浅析 《钢结构加固设计规范》编制浅析

黎红兵, 梁 爽, 刘汉昆

(四川省建筑科学研究院, 四川成都 610081)

【摘 要】文章对《钢结构加固设计规范》的编制进行了浅析,阐明了标准制订的目的及意义,介绍了制订过程中的主要工作,阐释了其中的关键问题。

【关键词】钢结构; 加固; 设计规范

1 《钢结构加固设计规范》编制的目的、意义

我国历来虽是钢结构建筑物较少的国家,但随着全面改革的不断深化,经济形势的持续向好,以及钢产量跃居世界首位,当前钢结构的应用与发展已进入鼎盛时期:不仅在工业建筑、大型公共建筑以及各类重要土木工程中得到了广泛的应用,而且钢结构的住宅建设也与日俱增。过去钢结构行业因钢材长期匮乏所制定的限制使用钢结构的措施已转变为推动钢结构快速发展的战略。据有关部门粗略统计现存的钢结构建筑物已不下3.5亿平方米;钢结构的诸多优势不仅得到了全社会的广泛重视和认同,而且也越来越使这类结构体系在工程建设领域中占据日益重要的地位。在这种形势下,很快就伴生了对既有钢结构建筑物的修缮、加固与改造的需求,并产生了对制订相关国家标准规范的迫切感。为此,住房城乡建设部及时下达了编制国家标准《钢结构加固设计规范》的任务,以适应当前工程实践的需要。

2 主要编制工作

规范编制组在认真整理近20 a来管理中国工程建设标准化协会标准CECS 77:96[1]《钢结构加固技术规范》过程中所收到的反馈信息,以及组织编制组成员学习掌握编制国家标准的基本要求与编写方法的基础上,主要进行了以下工作。

2.1 各加固方法重要参数的试验验证

编制组中高等院校和科研单位成员利用其拥有的实验室,开展钢结构加固设计重要参数的验证性试验,解决了负荷状态下焊接加固、外包钢筋混凝土加固、钢管构件内填混凝土加固等的承载力评估问题,为加固设计的应用提供了基本依据[2-6]。

2.2 梁柱节点和栓焊并用连接的承载性能及其设计方法

组织有关单位成立重点课题组,通过调查和验证性试验,研究了梁柱节点和栓焊并用连接的承载性能及其设计计算方法[7]。

2.3 钢结构加固用胶

与全国建筑物鉴定与加固标准技术委员会合作,对新纳入规范的钢结构加固用胶,进行了系统的安全性检测与鉴定,并在此基础上起草了钢结构加固用胶安全性合格评定标准草案。

2.4 抗震锚栓

我国是地震多发国家之一,为此,编制组组织研究了抗震设防区锚栓技术的应用问题。在这基础上筛选了4种较为安全可靠的锚栓纳入规范,并参照美国ACI318等有关标准,验证了锚栓承载力主要参数并给出了构造要求。为锚栓用于钢结构加固的验算提供了可靠的依据。

此外,通过大量调查分析,总结了不同加固工程的实践经验和工程的事故教训。

3 编制过程中遇到的主要问题

3.1 关于钢结构粘接加固后设计使用年限的确定

本规范征求意见稿从既有钢结构建筑粘接加固的使用情况出发,参照欧美有关标准的相关规定,作出了以30 a为宜的规定,而反馈意见认为,这样处理不符合现实的国情。因为国内有不少新建工程也存在着必须立即加固的问题;并且从业主的角度出发,也要求加固后的结构仍能拥有至少50年的设计使用年限。这对使用室温固化的普通结构胶或其他聚合物的加固工程而言,有较大的难度。因为按国际上的共识,只要能通过90 d的耐湿热老化检验,便可认为能满足30年使用期的要求;而既有结构的加固以30 a为设计使用期也是合理的,但我国当前对新建工程的加固,却要求有50年的使用期;在这种情况下,就必须采用耐久性更好的结构胶。按照国际惯例,如果要求结构胶或其他聚合物能在正常的加固环境中安全工作50 a,就必须以著名的Findley理论为依据,进行不少于5 000 h的耐长期应力作用的检验。经鉴定评估通过后,才允许用于设计使用期为50 a的结构加固工程。

3.2 关于钢结构加固用胶的性能要求

钢结构加固用胶,对韧性和耐久性的要求很高,但现场常温固化的结构胶都很难做到既粘接抗剪强度高,而又高韧性、低蠕变。因此,国内外有关专家一致认为,只能在满足结构胶抗剪和蠕变性能安全性要求的情况下,使其韧性或抗剥离性尽可能高。根据这一原则,在高分子化学领域编委的努力研发下,提出了钢结构用胶的安全性能合格指标,以供钢构件粘接钢板和粘接碳纤维复合材使用。

3.3 关于钢构件焊接加固的使用条件

负荷状态下,钢构件的焊接加固,应根据原构件的使用条件,控制其最大名义应力与屈服强度(或屈服点)的比值不超过相应规范的规定值。现行协会标准CECS 77:96[1]和冶标YB 9257-96[8]均分别给出了该限制。近20 a执行所反馈的信息表明:CECS对承受静载和间接动载的使用情况偏严;而YB对间接承受动载的使用情况偏松,但对承受静载的Ⅳ类使用情况较为合理。据此,编制组通过验证性试验分析结果认为,可将CECS 77:96中Ⅲ类结构的应力比限值从0.55调为0.65;并根据冶金系统的使用经验,将Ⅳ类结构的应力比限值调为0.80。

3.4 关于焊接加固高强螺栓连接的问题

CECS 77:96[1]规定:当采用焊接加固原高强螺栓连接时,不考虑焊缝与原高强螺栓的共同工作。此次编制国家标准《钢结构加固设计规范》时,编制组根据清华大学等单位所做的验证性试验成果,给出了可共同工作的范围和条件。在这一前提下,进一步给出了栓焊并用连接受剪承载力的分配比例。

3.5 关于型钢构件外包钢筋混凝土加固法对二次受力影响的考量

为了使需要大幅度提高承载能力的型钢构件加固有可靠的方法,本规范纳入了外包钢筋混凝土的加固法。这从传统的劲性混凝土结构来看,是一种可靠的结构形式,但对加固工程而言,则存在着二次受力和二次施工影响等问题。本规范一方面引入了新增钢筋混凝土的强度折减系数来考虑;同时在型钢与混凝土界面的传力构造上,引入了栓钉作为抗剪连接件;在此基础上,参照现行行业标准YB 9082 [9]《钢骨混凝土结构技术规程》的规定,给出了压弯和偏压构件的正截面承载力验算公式,并按现行国家标准GB 50010[10]《混凝土结构设计规范》的规定,给出了考虑二阶弯矩对轴向压力偏心距影响的偏心距增大系数 。经算例试算表明,本规范规定的计算方法及其参数的取值均较为稳健,兼之本规范所采用的是叠加原理,并未要求钢构件与混凝土共同作用,而实际存在的共同作用效应,则仅作为安全储备。

3.6 关于钢管构件内填混凝土加固法对二次受力影响的考量

本规范编制组在制订钢管构件内填混凝土加固法时,考虑到钢管混凝土结构在实际工程应用中,为了加快其施工速度,一般均是先架设空钢管而后内浇混凝土,故在钢管与混凝土共同受力前,钢管便已存在内应力。这与既有钢管构件内填混凝土加固的受力情况有相似之处,只是内应力的大小及作用的时间不同而已。因此设想:只要通过试验研究给出考虑二次受力和二次施工影响的承载力折减系数,便可按GB 50936[11]《钢管混凝土结构技术规范》的规定进行加固设计计算。基于这一概念,采用武汉大学、福州大学和哈尔滨工业大学等单位通过试验研究所取得的轴压承载力折减系数0.75,建立了本规范的设计计算方法,从而收到了简单而实用的效果。

3.7 关于胶粘钢板加固法的若干技术措施

本规范为了充实非焊接的加固方法,新增了胶粘钢板加固钢构件的方法。该方法在钢结构加固领域中已有过不少试用的实例。因此,在总结这些试用经验的基础上,提出了下列4项技术措施以保证安全:

(1)对大尺寸钢构件的现场表面糙化处理,采用现场喷砂处理,而且宜采用可回收磨料的真空或吸入式磨料喷射处理;若无需回收磨料,可采用离心磨料喷射处理;

(2)对钢结构加固用胶,给出了应具有低蠕变性能和抗剥离性能的要求;同时规定结构胶进场时,必须通过见证取样复检后方可使用;

(3)粘钢的端部采用可靠的机械锚固措施和缓解应力集中的措施;

(4)采取有效的防锈蚀措施,以防止钢材粘合面发生锈蚀而导致粘钢失效。

4 结束语

新编制的国家标准《钢结构加固设计规范》,总结了国内外既有钢结构加固工程的实践经验,吸取了国内外钢结构加固工程事故的深刻教训,明确了钢结构加固工程中存在的若干重要问题,丰富了推荐使用的加固技术及加固材料,在安全范围内修正了若干关键技术参数,从而使钢结构的加固设计做到技术可靠、安全适用、经济合理,并确保质量。

参考文献:

[1] 中国工程建设标准化协会建筑物鉴定与加固委员会.CECS 77:96钢结构加固技术规范[S].北京:中国计划出版社,1996.

[2] 王元清,祝瑞祥,戴国欣,等.初始负载下焊接加固工字形截面钢柱受力性能试验研究[J].建筑结构学报,2014,35(7):78-86.

[3] 王元清,罗睿奇,肖建春,等.负载下焊接加固钢结构端板连接节点承载性能试验[J].天津大学学报: 自然科学与工程技术版,2015(s1):25-31.

[4] 王元清,蒋立,戴国欣,等.负载下钢结构工字形压弯构件焊接加固试验[J].哈尔滨工业大学学报,2016,48(6).

[5] 王元清,唐伟明,宗亮,等.负载下外包钢筋混凝土加固钢柱轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2015,36(s2):275-284.

[6] 杜新喜,蔡宗洋,程晓燕,等.负载下内填混凝土加固钢管构件轴压性能试验研究[J].建筑结构学报,2015,36(s2).

[7] 罗睿奇,王元清,肖建春,等.负载下钢结构梁柱节点加固技术及其工程应用[C]//第十三届全国现代结构工程学术研讨会,2013:894-901.

[8] 中华人民共和国冶金工业部.YB 9257-96钢结构检测评定及加固技术规程[S].北京:冶金工业出版社,1997.

[9] 冶金工业信息标准研究院.YB 9082-2006钢骨混凝土结构技术规程[S].北京:冶金工业出版社,2007.

[10] 中国建筑科学研究院.GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[11] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50936-2014钢管混凝土结构技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2014.

[作者简介] 黎红兵(1983~),男,工程师,硕士,主要从事建筑物鉴定、加固及相关科研工作。

【中图分类号】TU398

【文献标志码】A

[定稿日期]2017-03-03

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