一、鋼結(jié)構(gòu)需要加固的主要原因
由于設(shè)計(jì)或施工中造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷，如焊縫長(zhǎng)度不足，桿件切口過(guò)長(zhǎng)，使截面削弱過(guò)多等。結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)期使用，出現(xiàn)不同程度的銹蝕、磨損以及操作不正常等，造成結(jié)構(gòu)缺陷，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面嚴(yán)重削弱。工藝生產(chǎn)條件變化，使結(jié)構(gòu)上荷載增加，原有結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)。使用的鋼材質(zhì)量不符合要求。意外、自然災(zāi)害對(duì)結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。由于地基基礎(chǔ)下沉，引起結(jié)構(gòu)的變形和損傷等。
二、鋼結(jié)構(gòu)加固的原則及加固技術(shù)措施
1.原則
加固應(yīng)盡可能做到不停產(chǎn)或少停產(chǎn)，因停產(chǎn)的損失往往是加固費(fèi)用的幾倍或幾十倍。能否在負(fù)荷下不停產(chǎn)加固，取決于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。一般構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，且構(gòu)件損壞變形等不是太嚴(yán)重時(shí)，可采用負(fù)荷不停產(chǎn)加固方法。結(jié)構(gòu)加固方案要便于制作、施工，便于檢查。結(jié)構(gòu)制造組裝應(yīng)盡量在生產(chǎn)區(qū)外進(jìn)行。連接加固應(yīng)盡可能采用高質(zhì)量螺栓或焊接。
2.加固技術(shù)措施
（1）截面補(bǔ)強(qiáng)法：在局部或沿構(gòu)件全長(zhǎng)以鋼材補(bǔ)強(qiáng)，連成整體使之共同受力;（2）改變計(jì)算簡(jiǎn)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(duì)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。
三、預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)
1.傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固存在的問(wèn)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(kāi)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鋼材上開(kāi)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。
2.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(guò)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(shì)：（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(duì)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(shì)。密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患。3.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。
四、纖維布安裝工藝
1.表面處理
?。?）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(rùn)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。
2.預(yù)應(yīng)力加固特點(diǎn)
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。
五、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(guò)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(duì)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(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固。
1.選材
用于結(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(shù)脂體系采用環(huán)氧類材料。
2.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(chǎng)，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。
3.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(jiǎn)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(duì)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(wú)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(duì)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(jiǎn)便有效。
六、結(jié)束語(yǔ)
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(zhǎng)使用壽命就必須對(duì)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(wèn)題，又是一個(gè)關(guān)系到社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。
由于設(shè)計(jì)或施工中造成鋼結(jié)構(gòu)缺陷，如焊縫長(zhǎng)度不足，桿件切口過(guò)長(zhǎng)，使截面削弱過(guò)多等。結(jié)構(gòu)經(jīng)長(zhǎng)期使用，出現(xiàn)不同程度的銹蝕、磨損以及操作不正常等，造成結(jié)構(gòu)缺陷，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面嚴(yán)重削弱。工藝生產(chǎn)條件變化，使結(jié)構(gòu)上荷載增加，原有結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)。使用的鋼材質(zhì)量不符合要求。意外、自然災(zāi)害對(duì)結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重。由于地基基礎(chǔ)下沉，引起結(jié)構(gòu)的變形和損傷等。
二、鋼結(jié)構(gòu)加固的原則及加固技術(shù)措施
1.原則
加固應(yīng)盡可能做到不停產(chǎn)或少停產(chǎn)，因停產(chǎn)的損失往往是加固費(fèi)用的幾倍或幾十倍。能否在負(fù)荷下不停產(chǎn)加固，取決于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。一般構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，且構(gòu)件損壞變形等不是太嚴(yán)重時(shí)，可采用負(fù)荷不停產(chǎn)加固方法。結(jié)構(gòu)加固方案要便于制作、施工，便于檢查。結(jié)構(gòu)制造組裝應(yīng)盡量在生產(chǎn)區(qū)外進(jìn)行。連接加固應(yīng)盡可能采用高質(zhì)量螺栓或焊接。
2.加固技術(shù)措施
（1）截面補(bǔ)強(qiáng)法：在局部或沿構(gòu)件全長(zhǎng)以鋼材補(bǔ)強(qiáng)，連成整體使之共同受力;（2）改變計(jì)算簡(jiǎn)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(duì)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。
三、預(yù)應(yīng)力加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)
1.傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固存在的問(wèn)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(kāi)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鋼材上開(kāi)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。
2.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(guò)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(shì)：（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(duì)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(shì)。密封性好，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患。3.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。
四、纖維布安裝工藝
1.表面處理
?。?）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(rùn)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。
2.預(yù)應(yīng)力加固特點(diǎn)
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。
五、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(guò)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(duì)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(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體加固。
1.選材
用于結(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(shù)脂體系采用環(huán)氧類材料。
2.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(chǎng)，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。
3.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(jiǎn)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(duì)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(wú)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(duì)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(jiǎn)便有效。
六、結(jié)束語(yǔ)
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(zhǎng)使用壽命就必須對(duì)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(wèn)題，又是一個(gè)關(guān)系到社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題。
