鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來越多的鋼結(jié)構(gòu)被運用到工業(yè)與民用建筑之中，隨著建筑物的使用年限增加，鋼結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)一些問題，本文主要探討鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展。

　　《鋼結(jié)構(gòu)》(月刊)創(chuàng)刊于1986年，是由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會主管、中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會和中治集團(tuán)建筑研究總院聯(lián)合主辦的鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域綜合性科技期刊，國內(nèi)外公開發(fā)行。一直以導(dǎo)向性、針對性、實用性、創(chuàng)新性為辦刊宗旨，刊載論文全方位展示鋼結(jié)構(gòu)在我國現(xiàn)代建筑技術(shù)發(fā)展中的重要地位和作用;注重理論與實際并重，先進(jìn)性與實用性共舉;體現(xiàn)國家建筑技術(shù)政策，引導(dǎo)國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。快速增長的讀者群涵蓋鋼結(jié)構(gòu)科研、設(shè)計、制作、施工、教育各領(lǐng)域。

　　由于諸多因素會使在役鋼結(jié)構(gòu)的安全性降低，從而具有加固鋼結(jié)構(gòu)工程的必要。因此，鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)研究越來越受到人們的重視，鋼結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)主要分為傳統(tǒng)的加固技術(shù)和CFRP鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，筆者對國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)全面地回顧以及展望。

　　但是由于在設(shè)計、安裝、施工過程中可能會產(chǎn)生缺陷，在使用過程中因超載、銹蝕、疲勞等原因會引起結(jié)構(gòu)的損傷累積，從而影響結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)工程的加固技術(shù)越來越受到人們的重視，筆者對鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行了系統(tǒng)的回顧和展望。

　　1 傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)

　　傳統(tǒng)加固的主要方法有[1]：改變計算圖形、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。

　　1.1改變計算簡圖法

　　采用改變荷載分布狀況、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。

　　1.2加大構(gòu)件截面加固法

　　當(dāng)構(gòu)件承受動力荷載或允許塑性設(shè)計時，應(yīng)采用加大構(gòu)件截面加固法，其加固原則為：保證加固件與被加固件的新、老斷面能可靠地共同工作;新截面的慣性半徑比原截面應(yīng)稍大一些有利以保證構(gòu)件的穩(wěn)定性;加固件對稱布置或相對于中性軸對稱布置效果最好;為保證加固工作的安全，使被加固結(jié)構(gòu)的實際最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度。

　　1.3連接的加固

　　焊縫連接的加固可依次采用增加焊縫長度、有效厚度或兩者同時增加的辦法實現(xiàn);螺栓和鉚釘連接的加固應(yīng)首先考慮采用適宜直徑的高強(qiáng)度螺栓連接，當(dāng)負(fù)荷下進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固時，需要拆除結(jié)構(gòu)原有受力螺栓、鉚釘或增加、擴(kuò)大釘孔時，除應(yīng)設(shè)計算結(jié)構(gòu)原有和加固連接件的承載能力外，還必須校核板件的凈截面面積的強(qiáng)度。

　　1.4加固件的連接

　　為加固結(jié)構(gòu)而增設(shè)的板件，除須有足夠的設(shè)計承載能力和剛度外，還必須與被加固結(jié)構(gòu)有可靠的連接以保證二者良好的共同工作。

　　2 CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)

　　傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)已被廣泛地運用到工程領(lǐng)域中，實踐證明，這些方法是非常有效的。但它的缺點是費時、費力、增加結(jié)構(gòu)的重量，耐久性較差，維護(hù)費用較高。相比之下碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有優(yōu)秀的物理、力學(xué)性能，如強(qiáng)度和剛度高、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好、現(xiàn)場可操作性強(qiáng)、施工周期短、不損傷原結(jié)構(gòu)等優(yōu)點。目前已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)中，國內(nèi)外對CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用則處于起步階段，主要集中在受彎構(gòu)件的加固、受拉(壓)構(gòu)件的加固、疲勞加固、粘結(jié)劑及其受力分析的研究、預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究。

　　2.1 受彎構(gòu)件的加固

　　國內(nèi)外關(guān)于CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗研究大部分集中在受彎構(gòu)件上，主要分為無損傷缺陷鋼梁的加固和損傷鋼梁的加固。

　　2.1.1 無損傷缺陷鋼梁的加固

　　FRP 加固鋼梁的試驗研究最早始于20 世紀(jì)90年代中期,美國Delaware 大學(xué)對無損傷缺陷的工字型鋼梁進(jìn)行研究[2]。國內(nèi)外許多學(xué)者開展了對各種類型的鋼梁加固研究,主要包括工字型截面鋼梁[3]、矩形截面鋼梁[3]、鋼板梁[3]、鋼- 混凝土組合梁[4，5，6]。已有的試驗結(jié)果表明,隨著粘貼的纖維量、纖維的彈性模量、鋼材的彈性模量、鋼材的屈服強(qiáng)度的變化,加固效果也不同。

　　2.1.2 損傷鋼梁的加固

　　存在損傷缺陷的鋼梁用高模量的CFRP 板加固后,剛度基本能恢復(fù)到未損傷情況下鋼梁剛度的90%以上,極限承載力的提高隨著加固量和損傷大小而不同,粘貼CFRP 加固修復(fù)損傷鋼結(jié)構(gòu)不僅能恢復(fù)其損失的剛度、承載能力和改善其疲勞性能,還能對鋼結(jié)構(gòu)形成保護(hù),起到加固和防腐的雙重效果[7]。

　　2.2 受拉(壓)構(gòu)件的加固

　　西安建筑科技大學(xué)的彭福明等用能量法得到了CFRP加固軸心受壓鋼管的彈性屈曲荷載，并與有限元計算結(jié)果進(jìn)行了對比[8]，結(jié)果表明：縱向粘貼CFRP對提高鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件的彈性屈曲荷載比較明顯，并提出可以用來預(yù)測鋼結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件的彈性屈曲荷載的理論計算公式。

　　西安交通大學(xué)的馬建勛[9]等人對采用碳纖維布粘貼加固后的鋼板進(jìn)行了單軸拉伸試驗,試驗結(jié)果表明,鋼板采用CFRP 布雙面粘貼后,屈服荷載可提高16 %～18 % ,極限荷載可提高16 %～ 25 % ,破壞模式是CFRP 布被拉斷,主要是斷面附近或CFRP 布端部發(fā)生脫膠。

　　2.3 疲勞加固研究

　　國內(nèi)學(xué)者張寧[10]等提出：1)碳纖維加固后焊趾處應(yīng)力重新分布,能夠承受更大的疲勞應(yīng)力。2) 本試驗結(jié)果表明,經(jīng)過碳纖維加固后,鋼結(jié)構(gòu)試件應(yīng)力循環(huán)次數(shù)超過50 萬次的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原狀焊縫。

　　Bassetti [11]等人用預(yù)應(yīng)力CFRP板加固從舊橋中取出的一根鉚接鋼梁，結(jié)果表明用預(yù)應(yīng)力CFRP 板可以對鉚釘孔附近疲勞裂紋的出現(xiàn)和進(jìn)一步發(fā)展起到延緩作用,加固后的鋼梁,循環(huán)次數(shù)達(dá)到2000萬次。

　　清華大學(xué)的鄭云[12]基于線彈性斷裂力學(xué)理論,采用有限元模型對表征疲勞裂紋擴(kuò)展速率的裂紋前端應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了計算分析。計算結(jié)果表明,采用CFRP 雙面粘貼加固后鋼板的剩余疲勞壽命得到顯著提高,從理論上驗證了用CFRP 加固疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)是非常有前途的一種加固方法。