钢结构加固技术的研究现状与进展

　　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，随着建筑物的使用年限增加，钢结构容易出现一些问题，本文主要探讨钢结构加固技术的研究现状与进展。

　　《钢结构》(月刊)创刊于1986年，是由中国钢铁工业协会主管、中国钢结构协会和中治集团建筑研究总院联合主办的钢结构领域综合性科技期刊，国内外公开发行。一直以导向性、针对性、实用性、创新性为办刊宗旨，刊载论文全方位展示钢结构在我国现代建筑技术发展中的重要地位和作用;注重理论与实际并重，先进性与实用性共举;体现国家建筑技术政策，引导国内钢结构技术的发展。快速增长的读者群涵盖钢结构科研、设计、制作、施工、教育各领域。

　　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。

　　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。#p#分页标题#e#

　　2.4 粘结剂及其受力分析的研究

　　西安建筑科技大学的彭福明[7]等采用有限元方法,对粘贴CFRP加固修复钢结构时影响二者之间荷载传递效果的因素进行了系统的分析。

　　杨勇新等对粘贴碳纤维布加固钢板进行了静力拉伸试验[13]，试验结果表明：1) 粘贴碳纤维布能有效提高拉伸构件的屈服荷载，但是对极限荷载的贡献不大。2) 采用高模量的碳纤维布加固损伤钢构件的效果更加明显。3) 保证碳纤维布在钢材屈服后仍不发生剥离是非常重要的。

　　张宁等通过界面粘结力的试验研究和公式推导，得出如下结论[14]：1)碳纤维材料与钢结构的界面应力受到材料性能、粘贴质量、粘贴方式、胶层厚度等因素的影响。2) 界面的受力随着粘结长度的变化而变化，但当粘结长度增大到一定值时,承载力不再提高。3) 粘结剂涂抹要均匀,厚度要适当。4) 碳纤维布要保持平直,粘贴方向与最大受力方向保持一致,以充分发挥碳纤维的受力性能。

　　在粘贴CFRP 之前,加强钢材表面的处理可以增强粘贴强度和耐久性。当表面处理完成后15h 内必须粘贴CFRP ,否则会降低粘结强度。Miller[15]建议应用加速养护方法,比如电热毯或加热器来提高粘结剂的养护速度。表面处理或者喷砂处理可以从钢结构表面除去铁锈、各种涂料和油漆,增强粘结效果。Jason D.Bardis[16]系统研究了各种表面处理方法对粘结强度的影响。为了避免胶层的剥离破坏,提出了很多方法。Vinson[17]提出把FRP 板的两端做成45°角,可有效地减小胶层的应力。Sen[18]设计了一种钢夹具固定在FRP板两端来抵抗此处较大的正应力和剪应力。Liu[19]则建议在张拉翼缘和腹板上缠绕纤维方向垂直于梁长度方向的GFRP 以避免CFRP 片材与钢结构的剥离。

　　2.5 预应力加固钢结构技术的研究

　　预应力加固钢结构技术是将传统的体外预应力施加技术与碳纤维加固技术结合起来,从而起到加固钢结构的作用。预应力CFRP 加固钢结构是一种加固新方法。现有的试验研究很少,基本都处在理论研究阶段。江克斌[20]等人应用有限元软件ANSYS 对长5m ,高。0.2m ,宽0.1m 的矩形截面钢梁进行了非线性分析并进行了理论公式的推导。

　　赵启林[21]等人提出了CFRP 加固钢结构的反拱预应力技术。其基本思路是:首先利用已经成熟的体外预应力施加技术,在结构使用荷载的反方向施加荷载,消除已有变形并且使结构产生一定的变形,在该变形状态下粘贴CFRP ,当CFRP 与钢结构梁等结构粘贴可靠后撤收施加预应力的设备。推导了理论公式并用有限元分析了公式的适用性。预应力加固现处在起步阶段,将是今后重点研究的一个方向。

　　3 结论与展望

　　传统的钢结构加固技术已被广泛地运用到许多工程领域中，技术日渐成熟，但是同时又给结构带来一些新的问题,如产生新的损伤和焊接残余应力等。

　　CFRP加固钢结构技术是一种应用潜力非常大的新型加固技术，但目前对CFRP加固钢结构的研究在国内外尚处于起步阶段，在今后的研究工作，可以从如下几个方面开展：加强钢结构受弯、受拉(压)构件加固的试验和理论研究;CFRP加固钢结构工程的疲劳损伤试验研究;CFRP加固钢结构构件的稳定承载力试验和理论研究;粘结剂是连接碳纤维和构件的重要因素，应加强粘结剂力学性能的研究;预应力CFRP加固钢结构是新型的体外预应力技术，应开展此方面的研究课题;,应积极开展对FPP 加固钢结构无损检测技术(NDT) 的研究。

　　参考文献

　　1 冯玉珠.前苏联的几种钢结构加固法.　钢结构, 1993,第2期:51～60

　　2 A2Saidy Abdullah , Klaiber F W, Wipf T J . Structural Behavior ofComposite Steel Beams StrengthenedPRepaired with Carbon FiberReinforced Polymer Plates(Phd\"s Dissertation) ,Ames , Iowa : Iowa StateUniversity ,2001

　　3 彭福明，等. FRP加固修复钢结构的荷载传递效果分析.工业建筑,2005,35(8):26～30.

　　4 郑云，等. CFRP加固疲劳损伤钢结构的断裂力学分析. 工业建筑,2005,35(10):79～82

　　5 杨勇新，等. 碳纤维布加固钢结构的黏结性能研究. 土木工程学报,2006,39(10):1～5

　　6 张宁,等. 碳纤维布加固修复钢结构粘结界面受力性能试验研究.工业建筑 2003,33(5):71～80

　　7　江克斌,等. 采用预应力碳纤维技术提高钢结构承载力的分析. 解放军理工大学学报,2003 ,4 (4) :58～60.

　　8　赵启林,等.碳纤维加固的反拱预应力技术及其提高钢结构承载能力的分析. 钢结构, 2002 , 3(17) :51～53.