鋼結構加固技術的研究現狀與進展

　　隨著我國經濟的快速發展，越來越多的鋼結構被運用到工業與民用建筑之中，隨著建筑物的使用年限增加，鋼結構容易出現一些問題，本文主要探討鋼結構加固技術的研究現狀與進展。

　　《鋼結構》(月刊)創刊于1986年，是由中國鋼鐵工業協會主管、中國鋼結構協會和中治集團建筑研究總院聯合主辦的鋼結構領域綜合性科技期刊，國內外公開發行。一直以導向性、針對性、實用性、創新性為辦刊宗旨，刊載論文全方位展示鋼結構在我國現代建筑技術發展中的重要地位和作用;注重理論與實際并重，先進性與實用性共舉;體現國家建筑技術政策，引導國內鋼結構技術的發展。快速增長的讀者群涵蓋鋼結構科研、設計、制作、施工、教育各領域。

　　由于諸多因素會使在役鋼結構的安全性降低，從而具有加固鋼結構工程的必要。因此，鋼結構的加固技術研究越來越受到人們的重視，鋼結構的加固技術主要分為傳統的加固技術和CFRP鋼結構加固技術，筆者對國內外鋼結構加固技術全面地回顧以及展望。

　　但是由于在設計、安裝、施工過程中可能會產生缺陷，在使用過程中因超載、銹蝕、疲勞等原因會引起結構的損傷累積，從而影響結構的安全。鋼結構工程的加固技術越來越受到人們的重視，筆者對鋼結構加固技術的研究現狀和趨勢進行了系統的回顧和展望。

　　1 傳統的鋼結構加固技術

　　傳統加固的主要方法有[1]：改變計算圖形、加大原結構構件截面和連接強度、阻止裂紋擴展等。

　　1.1改變計算簡圖法

　　采用改變荷載分布狀況、傳力途徑、節點性質和邊界條件，增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協同工作等措施對結構進行加固的方法。

　　1.2加大構件截面加固法

　　當構件承受動力荷載或允許塑性設計時，應采用加大構件截面加固法，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稍大一些有利以保證構件的穩定性;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，使被加固結構的實際最大應力小于材料的屈服強度。

　　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;螺栓和鉚釘連接的加固應首先考慮采用適宜直徑的高強度螺栓連接，當負荷下進行結構加固時，需要拆除結構原有受力螺栓、鉚釘或增加、擴大釘孔時，除應設計算結構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度。

　　1.4加固件的連接

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

　　2 CFRP加固鋼結構技術

　　傳統的鋼結構加固技術已被廣泛地運用到工程領域中，實踐證明，這些方法是非常有效的。但它的缺點是費時、費力、增加結構的重量，耐久性較差，維護費用較高。相比之下碳纖維增強復合材料(CFRP)具有優秀的物理、力學性能，如強度和剛度高、抗疲勞性能和耐腐蝕性能好、現場可操作性強、施工周期短、不損傷原結構等優點。目前已廣泛用于混凝土結構中，國內外對CFRP加固鋼結構的研究和應用則處于起步階段，主要集中在受彎構件的加固、受拉(壓)構件的加固、疲勞加固、粘結劑及其受力分析的研究、預應力加固鋼結構技術的研究。

　　2.1 受彎構件的加固

　　國內外關于CFRP加固鋼結構的試驗研究大部分集中在受彎構件上，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90年代中期,美國Delaware 大學對無損傷缺陷的工字型鋼梁進行研究[2]。國內外許多學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 加固修復損傷鋼結構不僅能恢復其損失的剛度、承載能力和改善其疲勞性能,還能對鋼結構形成保護,起到加固和防腐的雙重效果[7]。

　　2.2 受拉(壓)構件的加固

　　西安建筑科技大學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，并與有限元計算結果進行了對比[8]，結果表明：縱向粘貼CFRP對提高鋼結構軸心受壓構件的彈性屈曲荷載比較明顯，并提出可以用來預測鋼結構軸心受壓構件的彈性屈曲荷載的理論計算公式。

　　西安交通大學的馬建勛[9]等人對采用碳纖維布粘貼加固后的鋼板進行了單軸拉伸試驗,試驗結果表明,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 布端部發生脫膠。

　　2.3 疲勞加固研究

　　國內學者張寧[10]等提出：1)碳纖維加固后焊趾處應力重新分布,能夠承受更大的疲勞應力。2) 本試驗結果表明,經過碳纖維加固后,鋼結構試件應力循環次數超過50 萬次的疲勞強度遠遠高于原狀焊縫。

　　Bassetti [11]等人用預應力CFRP板加固從舊橋中取出的一根鉚接鋼梁，結果表明用預應力CFRP 板可以對鉚釘孔附近疲勞裂紋的出現和進一步發展起到延緩作用,加固后的鋼梁,循環次數達到2000萬次。

　　清華大學的鄭云[12]基于線彈性斷裂力學理論,采用有限元模型對表征疲勞裂紋擴展速率的裂紋前端應力強度因子進行了計算分析。計算結果表明,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 加固疲勞損傷鋼結構是非常有前途的一種加固方法。