钢结构加固技术的研究现状与进展

摘 要：由于诸多因素会使在役钢结构的安全性降低，从而具有加固钢结构工程的必要。因此，钢结构的加固技术研究越来越受到人们的重视，钢结构的加固技术主要分为传统的加固技术和CFRP钢结构加固技术，笔者对国内外钢结构加固技术全面地回顾以及展望。

关键词：钢结构、加固、CFRP(碳纤维增强复合材料)

随着我国经济的快速发展，越来越多的钢结构被运用到工业与民用建筑之中，但是由于在设计、安装、施工过程中可能会产生缺陷，在使用过程中因超载、锈蚀、疲劳等原因会引起结构的损伤累积，从而影响结构的安全。钢结构工程的加固技术越来越受到人们的重视，笔者对钢结构加固技术的研究现状和趋势进行了系统的回顾和展望。

1 传统的钢结构加固技术

传统加固的主要方法有[1]：改变计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。

1.1改变计算简图法

采用改变荷载分布状况、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。

1.2加大构件截面加固法

当构件承受动力荷载或允许塑性设计时，应采用加大构件截面加固法，其加固原则为：保证加固件与被加固件的新、老断面能可靠地共同工作;新截面的惯性半径比原截面应稍大一些有利以保证构件的稳定性;加固件对称布置或相对于中性轴对称布置效果最好;为保证加固工作的安全，使被加固结构的实际最大应力小于材料的屈服强度。

1.3连接的加固

焊缝连接的加固可依次采用增加焊缝长度、有效厚度或两者同时增加的办法实现;螺栓和铆钉连接的加固应首先考虑采用适宜直径的高强度螺栓连接，当负荷下进行结构加固时，需要拆除结构原有受力螺栓、铆钉或增加、扩大钉孔时，除应设计算结构原有和加固连接件的承载能力外，还必须校核板件的净截面面积的强度。

1.4加固件的连接

为加固结构而增设的板件，除须有足够的设计承载能力和刚度外，还必须与被加固结构有可靠的连接以保证二者良好的共同工作。

2 CFRP加固钢结构技术

传统的钢结构加固技术已被广泛地运用到工程领域中，实践证明，这些方法是非常有效的。但它的缺点是费时、费力、增加结构的重量，耐久性较差，维护费用较高。相比之下碳纤维增强复合材料(CFRP)具有优秀的物理、力学性能，如强度和刚度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性能好、现场可操作性强、施工周期短、不损伤原结构等优点。目前已广泛用于混凝土结构中，国内外对CFRP加固钢结构的研究和应用则处于起步阶段，主要集中在受弯构件的加固、受拉(压)构件的加固、疲劳加固、粘结剂及其受力分析的研究、预应力加固钢结构技术的研究。

2.1 受弯构件的加固

国内外关于CFRP加固钢结构的试验研究大部分集中在受弯构件上，主要分为无损伤缺陷钢梁的加固和损伤钢梁的加固。

2.1.1 无损伤缺陷钢梁的加固

FRP 加固钢梁的试验研究最早始于20 世纪90年代中期,美国Delaware 大学对无损伤缺陷的工字型钢梁进行研究[2]。国内外许多学者开展了对各种类型的钢梁加固研究,主要包括工字型截面钢梁[3]、矩形截面钢梁[3]、钢板梁[3]、钢- 混凝土组合梁[4，5，6]。已有的试验结果表明,随着粘贴的纤维量、纤维的弹性模量、钢材的弹性模量、钢材的屈服强度的变化,加固效果也不同。

2.1.2 损伤钢梁的加固

存在损伤缺陷的钢梁用高模量的CFRP 板加固后,刚度基本能恢复到未损伤情况下钢梁刚度的90%以上,极限承载力的提高随着加固量和损伤大小而不同,粘贴CFRP 加固修复损伤钢结构不仅能恢复其损失的刚度、承载能力和改善其疲劳性能,还能对钢结构形成保护,起到加固和防腐的双重效果[7]。

2.2 受拉(压)构件的加固

西安建筑科技大学的彭福明等用能量法得到了CFRP加固轴心受压钢管的弹性屈曲荷载，并与有限元计算结果进行了对比[8]，结果表明：纵向粘贴CFRP对提高钢结构轴心受压构件的弹性屈曲荷载比较明显，并提出可以用来预测钢结构轴心受压构件的弹性屈曲荷载的理论计算公式。

西安交通大学的马建勋[9]等人对采用碳纤维布粘贴加固后的钢板进行了单轴拉伸试验,试验结果表明,钢板采用CFRP 布双面粘贴后,屈服荷载可提高16 %～18 % ,极限荷载可提高16 %～ 25 % ,破坏模式是CFRP 布被拉断,主要是断面附近或CFRP 布端部发生脱胶。

2.3 疲劳加固研究

国内学者张宁[10]等提出：1)碳纤维加固后焊趾处应力重新分布,能够承受更大的疲劳应力。2) 本试验结果表明,经过碳纤维加固后,钢结构试件应力循环次数超过50 万次的疲劳强度远远高于原状焊缝。

Bassetti [11]等人用预应力CFRP板加固从旧桥中取出的一根铆接钢梁，结果表明用预应力CFRP 板可以对铆钉孔附近疲劳裂纹的出现和进一步发展起到延缓作用,加固后的钢梁,循环次数达到2000万次。

清华大学的郑云[12]基于线弹性断裂力学理论,采用有限元模型对表征疲劳裂纹扩展速率的裂纹前端应力强度因子进行了计算分析。计算结果表明,采用CFRP 双面粘贴加固后钢板的剩余疲劳寿命得到显著提高,从理论上验证了用CFRP 加固疲劳损伤钢结构是非常有前途的一种加固方法。

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