鋼結(jié)構(gòu)加固方法與連接的可靠性分析_圖文

1、鋼結(jié)構(gòu)加固方法與連接的可靠性分析收稿日期:2010203211作者簡(jiǎn)介:趙凱(19792,男,結(jié)構(gòu)工程師,深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司,廣東深圳518000趙凱摘要:通過(guò)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的連接形式,如焊接連接、螺栓連接和混合連接加固進(jìn)行論述,分析了各種連接的可靠性計(jì)算理論,得出了可靠性和加固的最優(yōu)方法,對(duì)從事鋼結(jié)構(gòu)工程的技術(shù)人員具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu),加固方法,可靠性,混合連接中圖分類號(hào):TU311.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A近幾年建筑鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)大應(yīng)用范圍的趨勢(shì)明顯。對(duì)從事鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員的需求增加,對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)理論研究、技術(shù)開發(fā)以及設(shè)計(jì)制造、安裝、檢測(cè)的技術(shù)手段與工藝水平的要求也很迫切,國(guó)內(nèi)建筑

2、鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)面臨發(fā)展新機(jī)遇。1 鋼結(jié)構(gòu)的連接方式焊接連接是現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)中最主要的連接方式,它的優(yōu)點(diǎn)是任何形狀的結(jié)構(gòu)都可用焊縫連接,構(gòu)造簡(jiǎn)單 。焊接連接一般不需拼接材料,省鋼省工,而且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作,生產(chǎn)效率較高。鉚釘連接是早期鋼結(jié)構(gòu)采用的連接方式,現(xiàn)在基本被螺栓連接所替代。鉚接需要先在構(gòu)件上開孔,用加熱的鉚釘進(jìn)行鉚合,有時(shí)也可用常溫的鉚釘進(jìn)行鉚合,但需要較大的鉚合力。鉚釘連接由于費(fèi)鋼費(fèi)工,現(xiàn)在很少采用。螺栓連接采用的螺栓有普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓之分。普通螺栓的優(yōu)點(diǎn)是裝卸便利,不需特殊設(shè)備。普通螺栓分C 級(jí)螺栓和A ,B 級(jí)螺栓。高強(qiáng)度螺栓是用強(qiáng)度較高的鋼材制作,安裝時(shí)通過(guò)特制的扳手,以較大的扭矩上

3、緊螺帽,使螺桿產(chǎn)生很大的預(yù)應(yīng)力。有限元模型如圖2所示,外包鋼管與核心混凝土之間沒有相對(duì)滑動(dòng),故采用共用節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行模擬。本文有限元模擬結(jié)果與本文式(1的計(jì)算結(jié)果比較見圖3。從圖3可得出,盡管本文所得到的有限元結(jié)果與理論結(jié)果有一定的偏差,但是隨著應(yīng)力梯度系數(shù)的增加,局部臨界屈曲應(yīng)力cr 都呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。4結(jié)語(yǔ)本文對(duì)文獻(xiàn)6中的應(yīng)力梯度系數(shù)的取值范圍進(jìn)行了修改。并將式(1的計(jì)算結(jié)果與本文的有限元結(jié)果進(jìn)行比較后得出:盡管本文所得到的有限元結(jié)果與理論結(jié)果有一定的偏差,但是隨著應(yīng)力梯度系數(shù)的增加,局部臨界屈曲應(yīng)力cr 都呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。參考文獻(xiàn):1Qing Quan Ling ,Brian Uy.Lo

4、cal buckling of steel plates inconcrete 2filled thin 2walled steel tubular beam 2columns J .Journal of Constructional Steel Research ,2007(63:3962405.2蔡健,孫剛.方形鋼管約束下核心混凝土的本構(gòu)關(guān)系box columns J .Journal of Structural Steel Research ,1998(47:47272.4何?？?楊曉冰,周天華.矩形鋼管混凝土軸壓柱局部屈曲性能的解析分析J .西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,34(3:1

5、24.5韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)M .北京:科學(xué)出版社,2003.6曹遠(yuǎn)軍,黃明奎.矩形鋼管混凝土柱局部屈曲分析J .重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,2010(5:95296.Finite element analysis on partial flexure of square steel pipe and concrete columnJIANG Chao 2huiAbstract :It mainly analyzes the variation situation of the partial critical buckling stress cr of square steel pipe

6、 and concrete column under the effect of non 2central load ,and a simulated analysis is done to it applying ANSYS finite element software ,concludes that there is certain devia 2tion between the result of finite element analysis and the calculation result ,but the partial critical flexural stress cr

7、 trend to decrease as the in 2crease of stress gradient coefficient .K ey w ords :square steel pipe and concrete column ,stress gradient coefficient ,critical flexural stress ,finite element392焊接的加固方法與計(jì)算理論2.1加固方法鋼結(jié)構(gòu)加固一般宜采用焊接連接的加固,由于焊接連接方法簡(jiǎn)單,設(shè)備簡(jiǎn)易,作業(yè)條件容易達(dá)到,施工進(jìn)度快而被廣泛采用。但是,對(duì)加固熟鐵、鍛鐵塊的結(jié)構(gòu)就不能用焊接加固。焊接連接加固的方法

8、:可采用增加焊縫長(zhǎng)度,提高焊縫有效厚度,或者兩者同時(shí)增加的方法,當(dāng)上述方法不能滿足加固要求時(shí),可采用附加連接板實(shí)施加固。附加連接板可用角焊縫與基本構(gòu)件相連,也可用附加連接板與原節(jié)點(diǎn)板對(duì)接,但都需進(jìn)行連接的受力分析,并保證連接能夠承受各種可能的作用力,確保連接安全可靠。G BJ 68284建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)頒布以后,各本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范都據(jù)此進(jìn)行了修訂。但鋼結(jié)構(gòu)連接由于試驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)資料不足仍按允許應(yīng)力法進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了統(tǒng)一,將其折算為概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)表達(dá)式。因此有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)連接按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法原理進(jìn)行分析。2.2可靠性計(jì)算理論運(yùn)用一次二階矩法求可靠指標(biāo),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的各基本因素

9、是非確定性的,稱其為基本隨機(jī)變量,記為x i 。結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程為:g (x i =0,其中x i =x 1,x 2,x n T,引入標(biāo)準(zhǔn)化變量后得下式:=-x 3T ×G 3G ×G 。由目標(biāo)值確定抗力分項(xiàng)系數(shù)R 。設(shè)R k 是由設(shè)計(jì)表達(dá)式求出的抗力的標(biāo)準(zhǔn)值,R 3k 是按概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)預(yù)期可靠指標(biāo)下求出的抗力。對(duì)角焊縫連接,當(dāng)R k =R 3k 時(shí),按設(shè)計(jì)表達(dá)式設(shè)計(jì)的可靠指標(biāo)與預(yù)期的可靠指標(biāo)相等。確定抗力分項(xiàng)系數(shù)時(shí),就是要在給定荷載分項(xiàng)系數(shù)G ,Q 條件下使下面的誤差平方和為最小。R=6jR kj 6jS 2j,按前述一次二階矩法迭代計(jì)算求得R kj 可進(jìn)一步求出抗力

10、分項(xiàng)系數(shù)R 。焊縫的不定性取決于焊縫強(qiáng)度、幾何尺寸和計(jì)算模式的變異。角焊縫極限強(qiáng)度及其不定性f 。焊縫強(qiáng)度與焊條金屬?gòu)?qiáng)度、焊縫質(zhì)量以及荷載作用方向有關(guān)。按荷載作用方向可將角焊縫分為側(cè)面角焊縫和正面角焊縫。根據(jù)試驗(yàn)資料,角焊縫極限強(qiáng)度如沈陽(yáng)建筑大學(xué)實(shí)驗(yàn)所得:80個(gè)側(cè)焊縫平均值410N/mm 2,變異系數(shù)0.111,正面角焊縫20個(gè)平均值558N/mm 2,變異系數(shù)0.093。根據(jù)TJ 17274鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,正面角焊縫的安全系數(shù)比側(cè)面角焊縫的安全系數(shù)要高得多。在考慮角焊縫極限強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)時(shí),焊縫質(zhì)量對(duì)強(qiáng)度的影響不應(yīng)忽視。試驗(yàn)條件、試件制作與現(xiàn)場(chǎng)條件是不同的。因此應(yīng)考慮它們的影響。3螺栓連接的

11、加固方法與計(jì)算方法理論3.1加固方法在選用螺栓連接加固時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用高強(qiáng)度螺栓,因其施工工藝與一般的螺栓相近,但連接性能尤其是承受動(dòng)荷載的性能明顯優(yōu)于普通螺栓連接,對(duì)直接承受動(dòng)載的結(jié)構(gòu),規(guī)范規(guī)定必須采用摩擦型的高強(qiáng)度螺栓連接,因?yàn)槠湓诤线m的扭擰工具配合下,使其足以保持穩(wěn)定的預(yù)拉力值,連接處通過(guò)摩擦面的傳力方式的承載能力是穩(wěn)定可靠的。連接接頭位移剛度好,產(chǎn)生滑移后,螺栓進(jìn)入承壓狀態(tài),安全可靠。在操作時(shí)必須根據(jù)其工作特性,保證接觸質(zhì)量,孔洞附近鋼材表面必須清理干凈,螺栓直徑應(yīng)比原孔洞小1mm 3mm 。當(dāng)計(jì)算承載力不足時(shí),可采取擴(kuò)孔措施,改用直徑大一級(jí)的螺栓。當(dāng)構(gòu)件截面補(bǔ)強(qiáng)采用螺栓連接時(shí),新舊兩部

12、分截面可以共同工作,進(jìn)行計(jì)算確定螺栓數(shù)量。由于增加的螺栓或擴(kuò)孔后應(yīng)該核凈截面強(qiáng)度。加固方法甚多,究竟取用何種方法實(shí)施加固,應(yīng)視加固件的工作條件而定,經(jīng)過(guò)方案分析比較采用經(jīng)濟(jì)、合理、牢固為宜。荷載效應(yīng)比值按常見值考慮,即取p =S GK /S Q K =0.25,0.5,1.0,2.0分別按一次。二階矩法計(jì)算相應(yīng)的可靠指標(biāo),計(jì)算結(jié)果與TJ 17274鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于高強(qiáng)度螺栓連接的總體可靠度指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn),螺的出入。3.3混合連接中的加固混合連接是指同一構(gòu)件的連接使用了兩種不同的連接方式,如螺栓和鉚釘、焊縫與螺栓、焊縫與鉚釘?shù)取Ｔ诨旌线B接中,應(yīng)以焊縫承受全部作用力進(jìn)行計(jì)算,而在焊縫高強(qiáng)度螺栓混合

13、連接時(shí),兩種連接的承載力比值在11.5范圍內(nèi),二者的荷載變形情況基本接近,可以共同工作,若比值超出上述范圍,荷載將由強(qiáng)的連接承擔(dān),另一連接起不到分擔(dān)作用。當(dāng)計(jì)算使用高強(qiáng)度螺栓承載力時(shí),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果預(yù)拉力為焊前的90%95%,所以要乘以0.9的平均折減系數(shù)。4結(jié)語(yǔ)基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法,是目前世界大多數(shù)國(guó)家已經(jīng)采用或趨于采用的設(shè)計(jì)方法。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的可靠度是工程設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)的衡量尺度。在充分取得有關(guān)新信息基礎(chǔ)上應(yīng)該適當(dāng)對(duì)有關(guān)規(guī)定作局部修訂來(lái)順應(yīng)其客觀發(fā)展規(guī)律,而且要恰當(dāng)?shù)匕盐展こ探Y(jié)構(gòu)可靠度的相對(duì)一致性,既要維護(hù)結(jié)構(gòu)安全又要考慮其經(jīng)濟(jì)性。在抗力函數(shù)中采用局部多抗力系數(shù)或單系數(shù)多值方案。參

14、考文獻(xiàn):1王日午.鋼結(jié)構(gòu)變形極限狀態(tài)的近似概率分析J .工業(yè)建筑,1981(9:50251.2戴國(guó)欣,夏正中.建筑鋼結(jié)構(gòu)適用性分析J .建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2000(3:66267.3汪延壽.風(fēng)荷載作用下輸電塔結(jié)構(gòu)體系可靠度分析J .山西建筑,2009,35(16:53254.4戴國(guó)欣,夏正中,黃友明.鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范安全度及相關(guān)問(wèn)題評(píng)述J .建筑科學(xué),1999(5:83284.5曾波,戴國(guó)欣,夏正中.高強(qiáng)度螺栓連接的可靠性評(píng)估J .工業(yè)建筑,1997(6:1012102.49第36卷第19期2010年7月山西建筑碳纖維布在砌體結(jié)構(gòu)墻體加固中的應(yīng)用研究收稿日期:2010203204作者簡(jiǎn)介:呂志明(198

15、02,男,助理工程師,山東豐匯集團(tuán)有限公司,山東濟(jì)南250200高興勝(19792,男,助理工程師,山東恒力熱電設(shè)計(jì)院有限公司,山東濟(jì)南250100呂志明高興勝摘要:對(duì)砌體結(jié)構(gòu)墻體常出現(xiàn)的破壞形式進(jìn)行了分析,說(shuō)明了其加固的必要性及提出了常用的加固方法,通過(guò)對(duì)碳纖維布加固砌體結(jié)構(gòu)墻體的應(yīng)用研究,表明了碳纖維布對(duì)砌體結(jié)構(gòu)墻體強(qiáng)度的提高是十分有效的。關(guān)鍵詞:碳纖維布(CFS ,砌體墻體,加固中圖分類號(hào):TU746.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A據(jù)統(tǒng)計(jì),目前我國(guó)已建現(xiàn)有建筑中絕大多數(shù)為磚混結(jié)構(gòu)形式的建筑,現(xiàn)存珍貴文物保護(hù)建筑或構(gòu)筑物大多數(shù)是砌體結(jié)構(gòu)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、抗震標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高,許多

16、已有建筑已不適應(yīng)現(xiàn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)。歷次震害表明,許多無(wú)筋磚房遭到了嚴(yán)重破壞甚至倒塌,損傷慘重。甚至一些新建筑也存在安全隱患,但實(shí)際情況并不允許將其全部推倒重建,而只能采取適當(dāng)?shù)拇胧?對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)與加固處理,使這些建筑仍能滿足人們對(duì)建筑安全性、適用性和耐久性的要求。同時(shí),由于我國(guó)多數(shù)地區(qū)都處于地震區(qū),因此在新建建筑不斷增加的同時(shí),對(duì)現(xiàn)有建筑的維護(hù)和補(bǔ)強(qiáng)加固也引起了工程界的廣泛重視1。1常見的砌體破壞形式1.1多層磚房墻體的破壞主要是剪切破壞在水平地震力作用下,砌體結(jié)構(gòu)中的墻體往往產(chǎn)生斜裂縫或交叉斜裂縫,從而造成結(jié)構(gòu)的破壞,產(chǎn)生這種裂縫的原因是墻體的抗剪強(qiáng)度不足。從調(diào)查的資料來(lái)看,裂縫形式呈斜向或交

17、叉的“X ”形裂縫,當(dāng)墻體的高寬比比較小時(shí),墻體中段出現(xiàn)水平開裂,見圖1 。1.2砌體結(jié)構(gòu)的修復(fù)或加固1砌體結(jié)構(gòu)在下列情況下進(jìn)行修復(fù)或加固:1由于地基不均勻沉降墻體產(chǎn)生裂縫;2由于屋面熱脹冷縮,墻體產(chǎn)生溫度裂縫;3砌體墻、柱局部承載力不足;4由于房屋改建加層而使原砌體房屋承載力不足;5在地震設(shè)防區(qū)經(jīng)抗震鑒定,房屋抗震驗(yàn)算或房屋抗震構(gòu)造措施不滿足要求;6地震發(fā)生房屋受損。2墻體加固目前,工程上對(duì)墻體抗震加固的方法主要有:1內(nèi)設(shè)構(gòu)造柱與圈梁抗震加固方法;2外加構(gòu)造柱與鋼拉桿抗震加固方法;3墻體內(nèi)配筋抗震加固方法;4預(yù)應(yīng)力磚墻抗震加固方法;5外貼面層抗震加固方法;6無(wú)粘結(jié)外包型鋼加固法;7灌漿法和噴

18、射修補(bǔ)法。3碳纖維布加固技術(shù)碳纖維布(Carbon Fiber Sheet ,簡(jiǎn)稱CFS 結(jié)構(gòu)加固技術(shù)是指采用高性能粘結(jié)劑將碳纖維布粘貼在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面,使兩者共同工作,提高構(gòu)件承載能力,由此達(dá)到對(duì)建筑物進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)的目的。碳纖維布加固技術(shù)是纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用技術(shù)中一種使用較普遍、性能較好的結(jié)構(gòu)外部加固新技術(shù)。粘貼纖維材料加固技術(shù)的主要特點(diǎn)有2:1高強(qiáng)高效。纖維材料物理力學(xué)性能優(yōu)異,在加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)中可以充分利用其高強(qiáng)度、高彈性模量的特點(diǎn)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載力,改善其受力性能,達(dá)到高強(qiáng)高效的目的。2施工工序簡(jiǎn)單?？捎眯⌒碗妱?dòng)工具操作,可在傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法施工的有限作業(yè)空間內(nèi)施工。工期短,更能在持續(xù)交通的

19、情況下操作。從而大大縮短工程停工、停運(yùn)的時(shí)間。3根據(jù)受力分析可以進(jìn)行多層粘貼,其方向也可以靈活掌握,可裁剪,易于操作。4耐腐蝕性能及耐久性能好。纖維材料多具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性,使經(jīng)過(guò)補(bǔ)強(qiáng)和維修的結(jié)構(gòu)具有抗酸、堿、鹽、紫外線侵蝕和防水能力。具有足夠的適應(yīng)氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后以有效防火?？梢源蟠笤鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)惡劣外部環(huán)境的適應(yīng)能力,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)壽命。5耐疲勞性能好。6適用面廣。纖維材料加固修補(bǔ)結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀、各種結(jié)構(gòu)部位的加固修補(bǔ),而且不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)的外觀。尤其對(duì)一些大型土木工程等,采用傳統(tǒng)的加固手段幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn),而采用纖維材料加固技術(shù)都能很好地解決。7纖維材料質(zhì)輕而薄。幾乎不增加結(jié)構(gòu)自重和截面尺寸,對(duì)原結(jié)構(gòu)幾乎不會(huì)造成新的損