鋼結構加固方法與連接的可靠性分析

趙 凱

近幾年建筑鋼結構擴大應用范圍的趨勢明顯。對從事鋼結構工程技術人員的需求增加,對提高鋼結構理論研究、技術開發以及設計制造、安裝、檢測的技術手段與工藝水平的要求也很迫切,國內建筑鋼結構行業面臨發展新機遇。

1 鋼結構的連接方式

焊接連接是現代鋼結構中最主要的連接方式,它的優點是任何形狀的結構都可用焊縫連接,構造簡單。焊接連接一般不需拼接材料,省鋼省工,而且能實現自動化操作,生產效率較高。

鉚釘連接是早期鋼結構采用的連接方式,現在基本被螺栓連接所替代。鉚接需要先在構件上開孔,用加熱的鉚釘進行鉚合,有時也可用常溫的鉚釘進行鉚合,但需要較大的鉚合力。鉚釘連接由于費鋼費工,現在很少采用。

螺栓連接采用的螺栓有普通螺栓和高強度螺栓之分。普通螺栓的優點是裝卸便利,不需特殊設備。普通螺栓分C級螺栓和A,B級螺栓。高強度螺栓是用強度較高的鋼材制作,安裝時通過特制的扳手,以較大的扭矩上緊螺帽,使螺桿產生很大的預應力。

2 焊接的加固方法與計算理論

2.1 加固方法

鋼結構加固一般宜采用焊接連接的加固,由于焊接連接方法簡單,設備簡易,作業條件容易達到,施工進度快而被廣泛采用。但是,對加固熟鐵、鍛鐵塊的結構就不能用焊接加固。

焊接連接加固的方法:可采用增加焊縫長度,提高焊縫有效厚度,或者兩者同時增加的方法,當上述方法不能滿足加固要求時,可采用附加連接板實施加固。附加連接板可用角焊縫與基本構件相連,也可用附加連接板與原節點板對接,但都需進行連接的受力分析,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。

GBJ 68-84建筑結構設計統一標準頒布以后,各本結構設計規范都據此進行了修訂。但鋼結構連接由于試驗及統計資料不足仍按允許應力法進行設計。為了統一,將其折算為概率極限狀態設計方法的設計表達式。因此有必要對鋼結構連接按概率極限狀態設計方法原理進行分析。

2.2 可靠性計算理論

運用一次二階矩法求可靠指標β,結構設計中必須考慮的各基本因素是非確定性的,稱其為基本隨機變量,記為 xi。

結構極限狀態方程為:g(xi)=0,其中 xi=[x1,x2,…,xn]T,引入標準化變量后得下式:

由目標β值確定抗力分項系數λR。

設Rk是由設計表達式求出的抗力的標準值,R*k是按概率極限狀態設計預期可靠指標下求出的抗力。對角焊縫連接,當Rk=R*k時,按設計表達式設計的可靠指標與預期的可靠指標相等。

確定抗力分

項系數時,就是要在給定荷載分項系數λG,λQ條件下使下面的誤差平方和為最小,按前述一次二階矩法迭代計算求得 Rkj可進一步求出抗力分項系數λR。

焊縫的不定性取決于焊縫強度、幾何尺寸和計算模式的變異。角焊縫極限強度及其不定性 Ωf。焊縫強度與焊條金屬強度、焊縫質量以及荷載作用方向有關。按荷載作用方向可將角焊縫分為側面角焊縫和正面角焊縫。根據試驗資料,角焊縫極限強度如沈陽建筑大學實驗所得:80個側焊縫平均值410 N/mm2,變異系數0.111,正面角焊縫20個平均值558 N/mm2,變異系數0.093。

根據TJ 17-74鋼結構設計規范,正面角焊縫的安全系數比側面角焊縫的安全系數要高得多。在考慮角焊縫極限強度的統計參數時,焊縫質量對強度的影響不應忽視。試驗條件、試件制作與現場條件是不同的。因此應考慮它們的影響。

3 螺栓連接的加固方法與計算方法理論

3.1 加固方法

在選用螺栓連接加固時,應優先采用高強度螺栓,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荷載的性能明顯優于普通螺栓連接,對直接承受動載的結構,規范規定必須采用摩擦型的高強度螺栓連接,因為其在合適的扭擰工具配合下,使其足以保持穩定的預拉力值,連接處通過摩擦面的傳力方式的承載能力是穩定可靠的。連接接頭位移剛度好,產生滑移后,螺栓進入承壓狀態,安全可靠。

在操作時必須根據其工作特性,保證接觸質量,孔洞附近鋼材表面必須清理干凈,螺栓直徑應比原孔洞小1 mm～3 mm。當計算承載力不足時,可采取擴孔措施,改用直徑大一級的螺栓。

當構件截面補強采用螺栓連接時,新舊兩部分截面可以共同工作,進行計算確定螺栓數量。由于增加的螺栓或擴孔后應該核凈截面強度。加固方法甚多,究竟取用何種方法實施加固,應視加固件的工作條件而定,經過方案分析比較采用經濟、合理、牢固為宜。

3.2 螺栓的可靠性理論

可靠指標β的計算,一般設計表達式(簡單組合時)為:Rfk≥K(SGK+SQK)。

其中,K為安全系數,對Q235鋼和Q345鋼分別取1.41和1.45;SGK與SQK分別為永久荷載和某一活荷載的標準值效應。

荷載效應比值按常見值考慮,即取p=SGK/SQK=0.25,0.5,1.0,2.0分別按一次。

二階矩法計算相應的可靠指標,計算結果與TJ 17-74鋼結構設計規范關于高強度螺栓連接的總體可靠度指標β對比發現,螺栓連接的總體可靠指標β在4.5～5.0之間不低于規范的最高值4.2,所以研究表明不同的連接形式,不同的材料可靠度是有一定的出入。

3.3 混合連接中的加固

混合連接是指同一構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、焊縫與鉚釘等。在混合連接中,應以焊縫承受全部作用力進行計算,而在焊縫高強度螺栓混合連接時,兩種連接的承載力比值在1～1.5范圍內,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,荷載將由強的連接承擔,另一連接起不到分擔作用。當計算使用高強度螺栓承載力時,根據試驗結果預拉力為焊前的90%～95%,所以要乘以0.9的平均折減系數。

4 結語

基于概率理論的極限狀態設計方法,是目前世界大多數國家已經采用或趨于采用的設計方法。工程結構設計時的可靠度是工程設計預期目標的衡量尺度。在充分取得有關新信息基礎上應該適當對有關規定作局部修訂來順應其客觀發展規律,而且要恰當地把握工程結構可靠度的相對一致性,既要維護結構安全又要考慮其經濟性。在抗力函數中采用局部多抗力系數或單系數多值方案。

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