关于钢结构设计及加固方法的探讨
2015-03-23
钢结构建筑已有一百多年的发展历史，具有性能好、自重轻、工厂化程度高、施工速度快、劳动强度小等优点，因此钢结构工程以其独特的优越忧，在建筑业被越来越广泛的重视和应用。但钢结构工程在我国起步较晚，尤其是高层建筑钢结构工程与发达国家相比较少，钢结构设计方面的理论和设计经验不足，存在一些问题。因此，钢结构工程的设计方面的工作，成为我国钢结构设计行业面临的新问题。
一、分析钢结构加固的原因
随着近年来各类建筑物改造工程的迅速发展，我们对建筑物的要求也越来越高，同样对工程技术人员的要求也逐渐的提高，他们所面临的主要问题就是如何采取有效措施对即有建筑物进行处理以达到其功能要求。当出现以下状况时，我们就要对已有钢结构进行加固，一是钢结构存在严重的损坏、损伤或者是钢结构点的使用条件发生改变,另外就是经检查验算结构的强度、刚度或稳定性不满足使用要求。下面列举几种常见的需要钢结构加固的状况:
（一）在建筑物初期建造时，设计或者施工中存在问题使得钢结构存在缺陷，焊缝长度不足，杆件切口过长，使截面削弱过多就会造成钢结构缺陷。
（二）钢结构使用年限太长，自然条件造成钢结构不同程度上的磨损、锈蚀等，造成钢结构出现缺陷。
（三）建筑物在实际应用过程中未能按照设计强度使用，超出了设计时的荷载，使得钢结构经常处在超载状态，严重影响钢结构的使用。
（四）建设钢结构时，为了降低成本，使用一些达不到设计强度要求的钢材。
（五）地震、泥石流等自然灾害的发生会对钢结构产生危害。
（六）建设钢结构时没能深入考察当地的地形、地质，或基础设计强度不足，进而使得钢结构由于地基基础下沉发生变形和损坏的。
二、分析钢结构工程设计问题
（一）设计方法方面
我国钢结构建筑的设计步骤主要是:依据弹性方法计算钢结构各构件内力，依据弹塑性方法验算钢结构构件的极限承载力。由于钢结构达到极限状态时，就会进人弹塑性变形阶段，会造成结构内力的重分布，按现在的方法设计，不能保证构件承载力可靠度的一致性。
（二）钢结构体系方面
钢结构工程低于6层的，可采用框架支撑或框架体系，高于6层的采用框架硅剪力墙或框架支撑体系，框架柱有H型钢柱、钢管混凝土柱和钢骨混凝土柱。在6层以下钢结构工程中，组合柱要比H型钢柱型要省钢;钢支撑比剪力墙的延性高，在地震等级高时延性高的地震力小，延性差的地震力大，从抗高等级地震的性能来说，钢支撑比硅剪力墙好，钢框架混凝土剪力墙体系属混合结构，抗震性方面目前研究还不够，选用时应慎重。
（三）钢结构楼板设计方面
楼板不仅承受竖向荷载并将其传给框架，还将水平力传到柱上，因此楼板的强度、承载力和整体性都十分重要。作为钢结构工程要求，楼板还应考虑隔音要求;目前钢结构工程上，压型钢板组合楼板，现浇楼板等应用较多，震级较高的震区或重要钢结构，在柱的设计方面，要考虑在柱子的周边，宜设置钢箍筋，以免高水平力破坏楼板。
（四）钢结构抗震设计方面
1、设计反应谱问题:地震记录仪构造使得很多大于3秒的强震被削弱，因此计算的反应谱不真实，而建设部人为调整的谱曲线来保证钢结构安全性的抗震设计，可靠性需进一步验证。
2、弹塑性地震反应计算问题:目前我国没有高层钢结构弹塑性地震反应计算程序，缺乏空间弹塑性地震反应分析软件。
3、钢结构大垮度设计问题:我国是一个多地震国家，国际上没有这方面的研究，需要解决抗震设计原则、设计指标和设计方法。
三、给钢结构设计及加固一点建议
（一）改变钢结构计算图形的加固法
所谓的改变钢结构计算图形的加固法就是通过改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法，增加支撑形成空间结构，并按空间结构验算，这是我们改变结构计算图形的一般方法。另外我们还会通过一些手段使得结构的承载力和结构动力特性得以改善，比如加设支撑增加结构刚度，调整结构的自震频率。我们还可以减小结构的长细比，比如增设支架或者辅助杆件来提高钢结构的稳定性。
（二）增设支点加固法
通过额外增设支撑点来承担一部分负荷，减小结构计算的跨度，进而使得结构的内力分布也发生改变，从而大幅度的提高建筑承载能力就是我们所说的增设支点加固法。在梁、板上增设支点后，不仅能够通过减小建筑跨度，很大程度上的提高钢结构承载能力，而且还能够有效解决梁、板的挠曲变形的问题。从定义上不难看出，这种加固方法主要适用于一些大空间结构中，梁、板、桁架、网架等水平结构的加固。简单、可靠是增设支点加固法的优点，存在的不足之处就是减小了建筑的有效使用空间。
（三）粘结外包型钢加固法
在被加固构件的外边包上型钢或者钢板就是我们所说的外包钢加固法。外包法可以分为湿式外包法和干式外包法两种方法。湿式外包法就是采用环氧树脂化灌浆等方法把型钢与被加同构件粘结成一整体。外包钢加固法采用的就是湿式外包法，用这种方法加固后的构件，受拉和受压钢截面面积会有大幅度的提升，进而提高了正截面承载力和截面刚度。
（四）受弯杆件可采用改变其截面内力的方法进行加固
改变荷载的分布，例如将一个集中荷载转化为多个集中荷载，改变端部支承情况，例如变铰接为刚结，增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构，调整连续结构的支座位置，将结构变为撑杆式结构，施加预应力。在施工过程中，比较常见的对受弯杆件的加固是通过改变其截面内力的方法实现的，合理地调整受弯杆件的截面内力可以改变荷载的分布，利用刚结的操作方法改变端部的支撑能力，采用整体连续的结构设计增加端部结构的稳定性，利用撑杆的独特受力情况，及时调节受弯杆件的预应力。
（五）对桁架可采取改变其杆件内力的方法进行加固
我们知道撑杆式结构可以增加结构的承受能力，更好地将整体受体压力进行分散，达到桁架加固的目的。为了进一步改变桁架杆件的内力加设预应力拉杆，使预应力拉杆和撑杆式结构联合起来，共同完成桁架的加固任务。
（六）加大构件截面的加固
构件截面由于长期暴露在空气中，容易受到气候和天气因素的影响，会大大降低其本身的使用性能，不利于更好地发挥作用。在施工过程中，我们首先要认真找到在构件截面中出现的问题，根据加固技术方案的要求，分析已经出现问题的严重性，制定及时的补救措施。在弥补已经存在问题和缺陷的同时，还需要使用先进的仪器设施增加加固技术的使用性和适应性，在加大构件截面稳定性的前提下，使构件截面和其他结构联系起来，共同完成加固改进。
（七）连接的加固与加固件的连接
焊缝、铆钉、普通螺栓和高强度螺栓连接方法是最常使用的钢结构连接方法，在连接加固的过程中需要根据不同种类的连接方法，设计具有针对性的加固方案。综合考虑减轻荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻比裂纹扩展等技术要求，认真分析需要连接加固部位的作用和实际受力能力，进行加固件的连接，提高各结构承受外力的能力，和其抵抗外界环境和其他因素干扰的能力。
总之，随着国内经济突飞猛进地发展，钢结构在建筑业被越来越广泛的重视和应用，钢结构工程在我国将得到前所未有的发展。作为钢结构工程设计人员，面对钢结构建筑的大量涌现，应与时俱进，加强学习有关钢结构工程的专业知识与管理内容，特别对钢结构工程设计方面的一些问题应认真细致的分析和研究，不出现丝毫漏洞，从而确保我国高层钢结构工程的经济性和安全性。
