山東鋼結(jié)構(gòu)加固
鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法有:
減輕荷載、改變計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面和連接強(qiáng)度、阻止裂紋擴(kuò)展等。當(dāng)有成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí),也可采用其他的加固方法。經(jīng)鑒定需要加固的鋼結(jié)構(gòu),根據(jù)損害范圍一般分為局部加固和全面加固。
局部加固是對某承載能力不足的桿件或連接節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行加固,有增加桿件截面法、減小桿件自由長度法和連接節(jié)點(diǎn)加固法。
全面加固是對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固,有不改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法和改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形加固法兩類。
增加或加強(qiáng)支承體系,也是對結(jié)構(gòu)體系加固的有效方法。
增加原有構(gòu)件截面的加固方法是最費(fèi)料最費(fèi)工的方法(但往往是可行的方法);改變計(jì)算簡圖的方法最有效且多種多樣,其費(fèi)用也大大下降。
確定加固方案前,應(yīng)搜集下列資料
1)原有結(jié)構(gòu)的竣工圖(包括更改圖)及驗(yàn)收記錄。
2)原有鋼材材質(zhì)報(bào)告復(fù)印件或現(xiàn)場材質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告。
3)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件制作、安裝驗(yàn)收記錄。
4)原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算書。
5)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破損情況檢查報(bào)告。
6)現(xiàn)有實(shí)際荷載和加固后新增加荷載的數(shù)據(jù)。
鋼結(jié)構(gòu)損害的主要因素及加固技術(shù)措施
鋼結(jié)構(gòu)損害的主要因素有:
1)由荷載變化,超期服役,規(guī)范和規(guī)程改變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足;
2)構(gòu)件由于各種意外產(chǎn)生變形、扭曲、傷殘、凹陷等,致使構(gòu)件截面削弱,桿件翹曲,連接開裂等;
3)溫差作用下引起構(gòu)件或連接變形、開裂和翹曲;
4)由于化學(xué)物質(zhì)的侵蝕而產(chǎn)生腐蝕以及電化學(xué)腐蝕致使鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面削弱;
5)其它包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工中的失誤及服役期中的違規(guī)使用和操作等。
鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)措施主要有三種:
1)截面補(bǔ)強(qiáng)法:在局部或沿構(gòu)件全長以鋼材補(bǔ)強(qiáng),連成整體使之共同受力;
2)改變計(jì)算簡圖:增設(shè)附加支承,調(diào)整荷載分布情況,降低內(nèi)力水平,對超靜定結(jié)構(gòu)支座進(jìn)行強(qiáng)迫位移,降低應(yīng)力峰值;
3)預(yù)應(yīng)力拉索法:利用高強(qiáng)拉索加固結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)或提高結(jié)構(gòu)整體承載力、剛度和穩(wěn)度。
預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)
傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固存在的問題:
焊接加固時(shí),高溫作用使焊接部位的組織及性能劣化,而且焊縫必然存在缺陷,會(huì)產(chǎn)生新的裂紋;焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力,與其他作用結(jié)合可能導(dǎo)致開裂。焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體,裂縫一旦失穩(wěn)擴(kuò)展,就有可能一斷到底,引發(fā)重大事故。
采用螺栓連接需要在損傷部位附近的母材上開孔,削弱了截面,形成新的應(yīng)力集中區(qū);普通螺栓在動(dòng)載作用下易松動(dòng),高強(qiáng)螺栓易發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象,降低了結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)效果。粘鋼加固技術(shù)是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板,依靠結(jié)構(gòu)膠使之粘結(jié)成整體共同工作,以提高結(jié)構(gòu)承載力。這些加固方法共同的缺點(diǎn)是使結(jié)構(gòu)重量增加很多,鋼板不易制作成各種復(fù)雜形狀,運(yùn)輸和安裝也不方便,且鋼板易銹蝕,影響粘結(jié)強(qiáng)度,維護(hù)費(fèi)用高。
粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):
粘貼加固鋼結(jié)構(gòu)是利用粘結(jié)劑將粘貼到鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的表面,使一部分荷載通過粘結(jié)層傳遞到上,降低了結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力。粘貼加固技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢:
1)比強(qiáng)度和比剛度高,加固后基本不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原構(gòu)件的尺寸;
2)復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能;
3)柔性的復(fù)合材料對于任意封閉結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜的被加固結(jié)構(gòu)表面具有特別的優(yōu)勢。密封性好,減少了滲漏甚至腐蝕的隱患;
4)簡便易行、成本低、效率高,在狹小空間亦可施工,特別適合現(xiàn)場修復(fù);
5)施工過程中無明火,適用于各種特殊環(huán)境。
預(yù)應(yīng)力加固的優(yōu)點(diǎn):
1)加固工作可在不卸載、不停產(chǎn)的條件下進(jìn)行;
2)施加預(yù)應(yīng)力可直接減小變形,迅速消除超逾應(yīng)力和內(nèi)力峰值;
3)與非預(yù)應(yīng)力方式相比,可消除應(yīng)力滯后現(xiàn)象,充分利用的高強(qiáng)特性,提高加固效率;
4)結(jié)合可靠錨固,可降低粘結(jié)界面的剝離應(yīng)力,避免整體剝落,提高加固的可靠性;
5)降低加固費(fèi)用和使用成本。
纖維布安裝工藝
表面處理:
1)先用粗砂紙打磨構(gòu)件的粘結(jié)區(qū)域,清理構(gòu)件表層,用丙酮或酒精溶液擦洗表面,去除污染物,晾置干燥,用粘結(jié)劑浸潤表面;
2)在設(shè)計(jì)要求的位置打孔,應(yīng)遠(yuǎn)離待加固部位以免造成二次損傷;
3)在纖維布表面抹膠,將纖維束間的空隙初步封閉,稍干硬后進(jìn)行灌膠;
4)膠稍干后第二次施加預(yù)應(yīng)力至設(shè)計(jì)的控制應(yīng)力(利用擠壓效應(yīng),提高粘貼質(zhì)量),用膠將纖維束充分浸透,提高共同工作性能;
5)常溫下48小時(shí)后(氣溫較低時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長時(shí)間),膠充分硬結(jié)后,割除多余的螺桿,根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際要求進(jìn)行表面防護(hù)處理。
預(yù)應(yīng)力加固的設(shè)計(jì)與計(jì)算原則
預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)除遵守一般鋼結(jié)構(gòu)加固的準(zhǔn)則與規(guī)定外,還具有以下的特點(diǎn):
1)進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí)必須首先確定一些與調(diào)整應(yīng)力有關(guān)的參數(shù),例如輔助平衡力大小、預(yù)應(yīng)力力度、預(yù)應(yīng)力卸載彎矩值、支座標(biāo)高的位移值等;
2)要確定調(diào)整應(yīng)力時(shí)的合理荷載值或應(yīng)力水平,換言之,要分析判斷加固結(jié)構(gòu)時(shí)是否需要全部卸載,或卸載至某一水平。
在加固結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)遵守下列原則:
1)加固件與被加固件皆在材料彈性范圍內(nèi)受力,兩者在荷載下同時(shí)達(dá)到材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;
2)充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力,加固件的預(yù)應(yīng)力度可使被加固件的應(yīng)力卸載至其反向應(yīng)力的極值;
3)預(yù)應(yīng)力加固設(shè)計(jì)中同樣應(yīng)當(dāng)考慮預(yù)應(yīng)力加載系數(shù)、預(yù)應(yīng)力損失系數(shù)、工作條件系數(shù)、荷載系數(shù)等。
預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)施工工藝及步驟
預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)方案可分為兩種,一是直接粘貼法,將兩端錨固并施加預(yù)應(yīng)力后,通過膠粘劑粘貼在鋼結(jié)構(gòu)的表面;一般適用于構(gòu)件表面較平整的拉桿,對構(gòu)件或其局部進(jìn)行加固;
二是將束作為預(yù)應(yīng)力拉索調(diào)整應(yīng)力,一般適用于對整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固。
選材:結(jié)構(gòu)加固用碳纖維主要選用PAN基碳纖維,極限強(qiáng)度可達(dá)3500MPa,彈性模量約為2.35×109MPa。樹脂體系采用環(huán)氧類材料。
設(shè)計(jì):根據(jù)待修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、傳力路徑和應(yīng)力-應(yīng)變場,確定布的用量、尺寸和鋪設(shè)方向等。纖維方向應(yīng)盡量與損傷構(gòu)件中最大受力方向保持一致。如果損傷部位處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài),則纖維取向和鋪層順序應(yīng)盡量與控制主應(yīng)力方向一致。
嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù):鋼結(jié)構(gòu)加固的特殊性,需要一種簡便的預(yù)應(yīng)力施加方式,傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力施加方式往往是先張拉后錨固,需要相對復(fù)雜的張拉機(jī)具,以及相應(yīng)的反力裝置。在錨固的時(shí)候,預(yù)應(yīng)力損失也比較大。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù),其特點(diǎn)就是先錨固后張拉,以構(gòu)件本身和先前的錨固作為張拉受力裝置,無需復(fù)雜的張拉機(jī)具。嵌入式預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)可分次施加預(yù)應(yīng)力,可對粘結(jié)層產(chǎn)生擠壓效應(yīng),提高粘貼的可靠性。同時(shí),因采用先錨固后張拉技術(shù),預(yù)應(yīng)力損失小,方法簡便有效。
總結(jié)
建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)不可避免地存在各種缺陷和損傷,在荷載和環(huán)境等因素的作用下,材料發(fā)生變化,引起宏觀力學(xué)性能的劣化,導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)工程事故。為確保結(jié)構(gòu)安全工作,延長使用壽命就必須對損傷構(gòu)件進(jìn)行更換或加固,更換這些構(gòu)件將造成極大的浪費(fèi),而且會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用。同時(shí),結(jié)構(gòu)損傷具有局部性和多發(fā)性特點(diǎn),這些結(jié)構(gòu)不可能在出現(xiàn)損傷時(shí)就立即退役。因此,尋求經(jīng)濟(jì)高效的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)既是土木工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題,又是一個(gè)關(guān)系到社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的問題。
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