黎紅兵, 梁 爽, 劉漢昆

(四川省建筑科學(xué)研究院, 四川成都 610081)

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《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》編制淺析

黎紅兵, 梁 爽, 劉漢昆

(四川省建筑科學(xué)研究院, 四川成都 610081)

文章對《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》的編制進(jìn)行了淺析，闡明了標(biāo)準(zhǔn)制訂的目的及意義，介紹了制訂過程中的主要工作，闡釋了其中的關(guān)鍵問題。

鋼結(jié)構(gòu)； 加固； 設(shè)計規(guī)范

1 《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》編制的目的、意義

我國歷來雖是鋼結(jié)構(gòu)建筑物較少的國家，但隨著全面改革的不斷深化，經(jīng)濟(jì)形勢的持續(xù)向好，以及鋼產(chǎn)量躍居世界首位，當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展已進(jìn)入鼎盛時期：不僅在工業(yè)建筑、大型公共建筑以及各類重要土木工程中得到了廣泛的應(yīng)用，而且鋼結(jié)構(gòu)的住宅建設(shè)也與日俱增。過去鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)因鋼材長期匱乏所制定的限制使用鋼結(jié)構(gòu)的措施已轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿愉摻Y(jié)構(gòu)快速發(fā)展的戰(zhàn)略。據(jù)有關(guān)部門粗略統(tǒng)計現(xiàn)存的鋼結(jié)構(gòu)建筑物已不下3.5億平方米；鋼結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)勢不僅得到了全社會的廣泛重視和認(rèn)同，而且也越來越使這類結(jié)構(gòu)體系在工程建設(shè)領(lǐng)域中占據(jù)日益重要的地位。在這種形勢下，很快就伴生了對既有鋼結(jié)構(gòu)建筑物的修繕、加固與改造的需求，并產(chǎn)生了對制訂相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的迫切感。為此，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部及時下達(dá)了編制國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》的任務(wù)，以適應(yīng)當(dāng)前工程實(shí)踐的需要。

2 主要編制工作

規(guī)范編制組在認(rèn)真整理近20 a來管理中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 77：96[1]《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》過程中所收到的反饋信息，以及組織編制組成員學(xué)習(xí)掌握編制國家標(biāo)準(zhǔn)的基本要求與編寫方法的基礎(chǔ)上，主要進(jìn)行了以下工作。

2.1 各加固方法重要參數(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證

編制組中高等院校和科研單位成員利用其擁有的實(shí)驗(yàn)室，開展鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計重要參數(shù)的驗(yàn)證性試驗(yàn)，解決了負(fù)荷狀態(tài)下焊接加固、外包鋼筋混凝土加固、鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固等的承載力評估問題，為加固設(shè)計的應(yīng)用提供了基本依據(jù)[2-6]。

2.2 梁柱節(jié)點(diǎn)和栓焊并用連接的承載性能及其設(shè)計方法

組織有關(guān)單位成立重點(diǎn)課題組，通過調(diào)查和驗(yàn)證性試驗(yàn)，研究了梁柱節(jié)點(diǎn)和栓焊并用連接的承載性能及其設(shè)計計算方法[7]。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)加固用膠

與全國建筑物鑒定與加固標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會合作，對新納入規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)加固用膠，進(jìn)行了系統(tǒng)的安全性檢測與鑒定，并在此基礎(chǔ)上起草了鋼結(jié)構(gòu)加固用膠安全性合格評定標(biāo)準(zhǔn)草案。

2.4 抗震錨栓

我國是地震多發(fā)國家之一，為此，編制組組織研究了抗震設(shè)防區(qū)錨栓技術(shù)的應(yīng)用問題。在這基礎(chǔ)上篩選了4種較為安全可靠的錨栓納入規(guī)范，并參照美國ACI318等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了錨栓承載力主要參數(shù)并給出了構(gòu)造要求。為錨栓用于鋼結(jié)構(gòu)加固的驗(yàn)算提供了可靠的依據(jù)。

此外，通過大量調(diào)查分析，總結(jié)了不同加固工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程的事故教訓(xùn)。

3 編制過程中遇到的主要問題

3.1 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)粘接加固后設(shè)計使用年限的確定

本規(guī)范征求意見稿從既有鋼結(jié)構(gòu)建筑粘接加固的使用情況出發(fā)，參照歐美有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，作出了以30 a為宜的規(guī)定，而反饋意見認(rèn)為，這樣處理不符合現(xiàn)實(shí)的國情。因?yàn)閲鴥?nèi)有不少新建工程也存在著必須立即加固的問題；并且從業(yè)主的角度出發(fā)，也要求加固后的結(jié)構(gòu)仍能擁有至少50年的設(shè)計使用年限。這對使用室溫固化的普通結(jié)構(gòu)膠或其他聚合物的加固工程而言，有較大的難度。因?yàn)榘磭H上的共識，只要能通過90 d的耐濕熱老化檢驗(yàn)，便可認(rèn)為能滿足30年使用期的要求；而既有結(jié)構(gòu)的加固以30 a為設(shè)計使用期也是合理的，但我國當(dāng)前對新建工程的加固，卻要求有50年的使用期；在這種情況下，就必須采用耐久性更好的結(jié)構(gòu)膠。按照國際慣例，如果要求結(jié)構(gòu)膠或其他聚合物能在正常的加固環(huán)境中安全工作50 a，就必須以著名的Findley理論為依據(jù)，進(jìn)行不少于5 000 h的耐長期應(yīng)力作用的檢驗(yàn)。經(jīng)鑒定評估通過后，才允許用于設(shè)計使用期為50 a的結(jié)構(gòu)加固工程。

3.2 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)加固用膠的性能要求

鋼結(jié)構(gòu)加固用膠，對韌性和耐久性的要求很高，但現(xiàn)場常溫固化的結(jié)構(gòu)膠都很難做到既粘接抗剪強(qiáng)度高，而又高韌性、低蠕變。因此，國內(nèi)外有關(guān)專家一致認(rèn)為，只能在滿足結(jié)構(gòu)膠抗剪和蠕變性能安全性要求的情況下，使其韌性或抗剝離性盡可能高。根據(jù)這一原則，在高分子化學(xué)領(lǐng)域編委的努力研發(fā)下，提出了鋼結(jié)構(gòu)用膠的安全性能合格指標(biāo)，以供鋼構(gòu)件粘接鋼板和粘接碳纖維復(fù)合材使用。

3.3 關(guān)于鋼構(gòu)件焊接加固的使用條件

負(fù)荷狀態(tài)下，鋼構(gòu)件的焊接加固，應(yīng)根據(jù)原構(gòu)件的使用條件，控制其最大名義應(yīng)力與屈服強(qiáng)度(或屈服點(diǎn))的比值不超過相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定值。現(xiàn)行協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CECS 77：96[1]和冶標(biāo)YB 9257-96[8]均分別給出了該限制。近20 a執(zhí)行所反饋的信息表明：CECS對承受靜載和間接動載的使用情況偏嚴(yán)；而YB對間接承受動載的使用情況偏松，但對承受靜載的Ⅳ類使用情況較為合理。據(jù)此，編制組通過驗(yàn)證性試驗(yàn)分析結(jié)果認(rèn)為，可將CECS 77：96中Ⅲ類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比限值從0.55調(diào)為0.65；并根據(jù)冶金系統(tǒng)的使用經(jīng)驗(yàn)，將Ⅳ類結(jié)構(gòu)的應(yīng)力比限值調(diào)為0.80。

3.4 關(guān)于焊接加固高強(qiáng)螺栓連接的問題

CECS 77：96[1]規(guī)定：當(dāng)采用焊接加固原高強(qiáng)螺栓連接時，不考慮焊縫與原高強(qiáng)螺栓的共同工作。此次編制國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》時，編制組根據(jù)清華大學(xué)等單位所做的驗(yàn)證性試驗(yàn)成果，給出了可共同工作的范圍和條件。在這一前提下，進(jìn)一步給出了栓焊并用連接受剪承載力的分配比例。

3.5 關(guān)于型鋼構(gòu)件外包鋼筋混凝土加固法對二次受力影響的考量

為了使需要大幅度提高承載能力的型鋼構(gòu)件加固有可靠的方法，本規(guī)范納入了外包鋼筋混凝土的加固法。這從傳統(tǒng)的勁性混凝土結(jié)構(gòu)來看，是一種可靠的結(jié)構(gòu)形式，但對加固工程而言，則存在著二次受力和二次施工影響等問題。本規(guī)范一方面引入了新增鋼筋混凝土的強(qiáng)度折減系數(shù)來考慮；同時在型鋼與混凝土界面的傳力構(gòu)造上，引入了栓釘作為抗剪連接件；在此基礎(chǔ)上，參照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YB 9082[9]《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，給出了壓彎和偏壓構(gòu)件的正截面承載力驗(yàn)算公式，并按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50010[10]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，給出了考慮二階彎矩對軸向壓力偏心距影響的偏心距增大系數(shù) 。經(jīng)算例試算表明，本規(guī)范規(guī)定的計算方法及其參數(shù)的取值均較為穩(wěn)健，兼之本規(guī)范所采用的是疊加原理，并未要求鋼構(gòu)件與混凝土共同作用，而實(shí)際存在的共同作用效應(yīng)，則僅作為安全儲備。

3.6 關(guān)于鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固法對二次受力影響的考量

本規(guī)范編制組在制訂鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固法時，考慮到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了加快其施工速度，一般均是先架設(shè)空鋼管而后內(nèi)澆混凝土，故在鋼管與混凝土共同受力前，鋼管便已存在內(nèi)應(yīng)力。這與既有鋼管構(gòu)件內(nèi)填混凝土加固的受力情況有相似之處，只是內(nèi)應(yīng)力的大小及作用的時間不同而已。因此設(shè)想：只要通過試驗(yàn)研究給出考慮二次受力和二次施工影響的承載力折減系數(shù)，便可按GB 50936[11]《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行加固設(shè)計計算。基于這一概念，采用武漢大學(xué)、福州大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位通過試驗(yàn)研究所取得的軸壓承載力折減系數(shù)0.75，建立了本規(guī)范的設(shè)計計算方法，從而收到了簡單而實(shí)用的效果。

3.7 關(guān)于膠粘鋼板加固法的若干技術(shù)措施

本規(guī)范為了充實(shí)非焊接的加固方法，新增了膠粘鋼板加固鋼構(gòu)件的方法。該方法在鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中已有過不少試用的實(shí)例。因此，在總結(jié)這些試用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了下列4項(xiàng)技術(shù)措施以保證安全：

(1)對大尺寸鋼構(gòu)件的現(xiàn)場表面糙化處理，采用現(xiàn)場噴砂處理，而且宜采用可回收磨料的真空或吸入式磨料噴射處理；若無需回收磨料，可采用離心磨料噴射處理；

(2)對鋼結(jié)構(gòu)加固用膠，給出了應(yīng)具有低蠕變性能和抗剝離性能的要求；同時規(guī)定結(jié)構(gòu)膠進(jìn)場時，必須通過見證取樣復(fù)檢后方可使用；

(3)粘鋼的端部采用可靠的機(jī)械錨固措施和緩解應(yīng)力集中的措施；

(4)采取有效的防銹蝕措施，以防止鋼材粘合面發(fā)生銹蝕而導(dǎo)致粘鋼失效。

4 結(jié)束語

新編制的國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》，總結(jié)了國內(nèi)外既有鋼結(jié)構(gòu)加固工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，吸取了國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)加固工程事故的深刻教訓(xùn)，明確了鋼結(jié)構(gòu)加固工程中存在的若干重要問題，豐富了推薦使用的加固技術(shù)及加固材料，在安全范圍內(nèi)修正了若干關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，從而使鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計做到技術(shù)可靠、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理，并確保質(zhì)量。

[1] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會建筑物鑒定與加固委員會.CECS 77:96鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1996.

[2] 王元清，祝瑞祥，戴國欣，等.初始負(fù)載下焊接加固工字形截面鋼柱受力性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35(7):78-86.

[3] 王元清，羅睿奇，肖建春，等.負(fù)載下焊接加固鋼結(jié)構(gòu)端板連接節(jié)點(diǎn)承載性能試驗(yàn)[J].天津大學(xué)學(xué)報： 自然科學(xué)與工程技術(shù)版，2015(s1):25-31.

[4] 王元清，蔣立，戴國欣，等.負(fù)載下鋼結(jié)構(gòu)工字形壓彎構(gòu)件焊接加固試驗(yàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016,48(6).

[5] 王元清，唐偉明，宗亮，等.負(fù)載下外包鋼筋混凝土加固鋼柱軸壓性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36(s2):275-284.

[6] 杜新喜，蔡宗洋，程曉燕，等.負(fù)載下內(nèi)填混凝土加固鋼管構(gòu)件軸壓性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36(s2).

[7] 羅睿奇，王元清，肖建春，等.負(fù)載下鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)加固技術(shù)及其工程應(yīng)用[C]//第十三屆全國現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會，2013:894-901.

[8] 中華人民共和國冶金工業(yè)部.YB 9257-96鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程[S].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[9] 冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院.YB 9082-2006鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[10] 中國建筑科學(xué)研究院.GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50936-2014鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

黎紅兵(1983～)，男，工程師，碩士，主要從事建筑物鑒定、加固及相關(guān)科研工作。

TU398

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[定稿日期]2017-03-03