鋼結構工程加固技術綜述

崔瓏+成勃

摘 要：鋼結構工程中的缺陷和損傷造成了工程隱患，也引發了一些工程事故，鋼結構加固技術也顯得越來越重要。本文從《建筑結構可靠度設計統一標準》GB 50068-2001的相關規定出發，分析了鋼結構加固技術的總體思路，總結了提高結構抗力和減小作用效應的基本方法，介紹了我國當前主要的鋼結構工程加固標準情況和存在的問題。

關鍵詞：鋼結構；損傷；作用效應；結構抗力；加固

1.鋼結構工程加固的意義

建筑鋼結構具有自重輕、強度高、塑性及韌性好、抗震性能好、便于工業化生產、節能環保、可循環使用等諸多優點，被譽為21世紀的“綠色建筑”之一。隨著我國城鎮化建設的發展，國內建筑鋼結構工程數量飛速增長，各類形式新穎、造型美觀、富有現代感的工業廠房、體育場館、會展中心、候機大廳、大劇院、博物館等鋼結構工程如雨后春筍般涌現，建筑鋼結構已廣泛的應用于工業與民用建筑中。

但是由于各種各樣的原因，鋼結構工程也可能存在各種缺陷和損傷：

（1）荷載變化，超期服役（圖1）；

（2）構件由于各種意外產生變形、扭曲、傷殘、凹陷、構件截面削弱、桿件翹曲，連接開裂等；

（3）溫差作用下引起構件或連接變形、開裂和翹曲；

（4）由于化學物質的侵蝕而產生腐蝕以及電化學腐蝕致使鋼結構構件截面削弱；

（5）設計、生產、施工中的失誤及服役期中的違規使用和操作等（圖2）。

鋼結構工程的缺陷和損傷將引起宏觀力學性能的劣化，導致工程事故。鋼結構損傷具有局部性和多發性特點，這些結構不可能在出現損傷時就立即退役。對損傷構件進行更換將造成極大的浪費，而且會影響結構的正常使用。大量鋼結構工程存在技術改造和加固的要求，因此，尋求經濟高效的鋼結構加固技術既是建筑工程領域亟待解決的技術問題，又是一個關系到社會可持續發展的問題。

2.鋼結構加固技術

2.1加固技術的總體思路

根據《建筑結構可靠度設計統一標準》GB 50068-2001，當僅考慮作用效應S和結構抗力R兩個基本變量時，結構按極限狀態設計應符合下式要求：

據此，與混凝土結構和砌體結構的加固一樣，鋼結構加固的主要思路有提高結構抗力和減小作用效應及兩種方法的結合。

從加固設計的角度考慮，提高結構抗力法主要是對構件截面和連接進行加固；減小作用效應法主要是改變荷載分布、傳力途徑、節點性質、邊界條件、增設附加桿件和支撐、施加預應力、考慮空間協同作用等。

2.2提高結構抗力法

提高結構抗力法是在局部或沿構件全長進行補強，主要方法有：加大截面法、連接的加固和加固件的連接、裂紋的修復與加固等。

2.2.1加大截面法

加大截面法是通過加大構件的截面積來提高構件的剛度和承載能力。對于構件不同的受力特征，其加大截面的形式也不盡相同。受拉、受壓、受彎構件的加固形式分別如圖3～圖5所示。

加大截面法時應考慮以下因素：

（1）保證加固構件有合理的傳力路徑，使其與原構件能共同工作；

（2）加固構件布置應適應原構件幾何形狀或已發生的變形，以利施工；

（3）盡量減少加固施工工作量，如采用焊接或粘接的形式；

（4）采用焊接時，應盡量減少焊接工作量，注意焊接順序，降低焊接變形和應力，盡量避免仰焊。在負載狀態焊接應采用較小焊接尺寸，并應首先加固對原有構件影響較小、構件最薄弱的部位等；

（5）輕鋼結構中的小角鋼和圓鋼桿件不宜在負載狀態下進行焊接，必須焊接時應采取適當措施；

（6）加大截面尺寸不能過多削弱原構件的承載力，盡量采用小螺栓和高強度螺栓，焊接時應盡量避免采用與原構件應力方向垂直的焊縫。否則應采取專門措施。

（7）軸心受力構件加固后，應考慮構件截面形心偏移的影響。

2.2.2連接的加固與加固件的連接

連接加固是鋼結構加固中較為復雜的環節，鋼結構加固連接方法應根據結構的受力狀態、施工條件，并結合原有連接方法來確定。在同一受力部位連接的加固中，不宜采用剛度相差過大的加固措施。

（1）焊縫連接的加固

當使用焊接施工較方便時，且加固處允許采用焊縫連接時，可考慮采用焊縫進行加固。焊縫加固應首先考慮增加焊縫長度來實現，其次考慮增加焊腳尺寸、同時增加焊縫長度和焊腳尺寸、增加獨立的新焊縫等方式。

焊接連接加固時，應嚴格控制垂直于受力方向的橫向焊縫，以確保焊接時的受力安全。

（2）螺栓連接的加固

原有螺栓松動、損害失效或連接強度不足需要更換或新增時，應首先考慮采用相同直徑的高強度螺栓連接，也可采用焊接。

在《鋼結構高強度螺栓連接技術規程》JGJ 82-2011中，提出了考慮摩擦型高強度螺栓連接和貼角焊縫共同承擔同一剪力進行設計的栓焊并用連接形式和在梁、柱、支撐構件的拼接及相互間的連接節點中，翼緣采用熔透焊縫連接，腹板采用摩擦型高強度螺栓連接的栓焊混用連接形式。

（3）加固件的連接

加固件與被加固結構間的連接，應根據設計受力要求經計算并考慮構造和施工條件確定。

2.2.3裂紋的修復與加固

在結構構件上發現裂紋時，作為應急措施，可在板件裂紋的端外鉆孔，以防止其進一步急劇擴展（該孔稱為止裂孔，圖6），并及時根據裂紋性質及擴展傾向再采取恰當措施修復加固。

修復裂紋應優先采用堵焊的方式，堵焊的施工順序一般為：清洗裂紋兩邊80mm以上范圍內板面油污至露出潔凈的金屬面；用氣刨、風鏟或砂輪將裂紋邊緣加工成坡口，直達紋端的止裂孔；將裂紋兩側及端部金屬預熱至100～150℃，并在焊接過程中保持此溫度；用與鋼材相匹配的低氫或超低氫型焊條施焊，并盡可能用小直徑焊條流分段分層逆向施焊，每一道焊完后宜立即進行錘擊；對承受動力荷載的構件，堵焊后其表面應磨光，使之與原構件表面齊平。

2.3減小作用效應法

減小作用效應法的思路是采用改變荷載分布狀況（如將集中荷載改為多個集中荷載）、傳力途徑、節點性質、邊界條件、增設附加桿件和支撐、減小桿件自由長度、施加預應力、考慮空間協同工作等措施，改變構件的受力特征，降低其應力水平。對超靜定結構支座還可以進行強迫位移。

2.3.1受彎構件的加固

考慮減小作用效應時，受彎構件加固的方法主要有：

（1）調整結構支座位置，改變結構跨度；

（2）改變端部支撐情況，如該鉸接和鋼接；

（3）增加中間支座，將簡支改為連續；

（4）將構件改為支撐式結構（圖7、圖8）。

2.3.2桁架桿件的加固

改變桁架桿件內力的方法主要有：

（1）增加撐桿，變桁架為撐桿式構架（圖9、圖10）；

（2）加設預應力拉桿（圖11、圖12）

2.3.3改善構件受力狀況

在結構中可以采用以下方法改善構件的受力狀況：

（1）加強節點和增加支撐，如：采取相應措施，使鋼屋架和天窗架共同工作；

（2）排架和框架中，為減小加固工作量和加固施工影響，集中加強某一柱列剛度，其他柱列可不加固或少加固（圖13）。

2.3.4增加支撐或輔助構件

（1）增加屋蓋支撐及結構空間剛度使排架柱可以按空間結構進行驗算，挖掘結構的潛力（圖14）。

（2）增設支撐以調整結構的自振頻率，改善結構的動力性能（圖15）。

（3）增設支撐以減小構件長細比，提高穩定性（圖16、圖17）。

（4）在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊拉索，加強結構的剛度（圖18）。

改變結構計算圖形的加固過程（包括施工過程）中，除應對被加固結構承能力和正常使用極限狀態進行計算外，尚應注意對相關結構構件承載能力和使用功能的影響，考慮在結構、構件、節點以及支座中的內力重分布，對結構（包括基礎）進行必要的補充驗算，并采取切實可行的合理構造措施。采用改變結構計算圖形的加固方法，設計與施工應緊密配合，未經設計允許，不得擅自修改設計規定的施工方法和程序。采用調整內力的方法加固結構時，應在加固設計中規定調整內力或規定位移的數值和允許偏差，及其檢測位置和檢驗方法。

3.我國主要的鋼結構工程加固標準情況

1996年11月，冶金工業部發布了《鋼結構檢測評定及加固技術規程》YB 9257-96，自1997年7月1日起施行。在加固方面，規定了加固的原則和方法、材料、荷載、計算的基本規定、構造要求等。規程中規定了增加截面的加固方法、加固中的連接、吊車梁系統的加固、荷載作用下的焊接加固，以及加固工程的驗收。

1996年5月，中國工程建設標準化協會發布了《鋼結構加固技術規范》CECS 77：96，規定了加固基本原則和一般方法。加固的方法主要有改變結構計算圖形的加固和加大構件截面的加固。規程規定了連接的加固和加固件的連接、裂紋的修復與加固，以及加固工程的施工安全和驗收。

2010年10月，住房和城鄉建設部發布了《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》GB 50550-2010，對其中鋼構件增大截面工程、鋼構件焊縫補強工程、鋼結構裂紋修復工程的施工質量和驗收方法進行了規定。

以上標準在加大鋼構件的截面時均采用鋼材，而大量試驗及數值模擬表明，纖維增強復合材料（FRP）加固技術也可以有效提高鋼結構的承載力，該方法還適合于腐蝕環境、施工困難的鋼結構。

2014年初，冶金建筑研究總院主編的中國工程建設標準化協會標準《纖維增強復合材料加固鋼結構技術規程》進入征求意見階段。規程中對受拉構件的加固、軸壓構件的加固、工字型鋼梁受彎構件的加固、鋼管的加固與修復、抗疲勞加固等做出了規定，為鋼結構加固提供了嶄新的思路。

4.主要問題和發展方向

我國正大力推動建筑工業化進程，鋼結構是其中的重要組成部分。可以想見，今后將有更多的鋼結構工程應用于工業與民用建筑之中。

但是也應該看到，鋼結構工程往往是人員聚集、大型活動的場所，鋼結構的安全性尤為重要。鋼結構事故類型最主要有：穩定性破壞（局部失穩和整體失穩），由鋼結構構造、應力集中、應力幅等引起的疲勞問題，由低溫和動載、材質缺陷、鋼板厚度、應力腐蝕等引起的脆性破壞和化學腐蝕、電化學腐蝕等。對鋼結構的加固技術進行相應的研究非常必要。

從我國現階段關于鋼結構工程加固的標準看，主要的加固技術標準發布較早，技術相對滯后。鋼結構加固中部分領域的研究尚不充分，如節點的加固問題、負載作用下的焊接問題、焊接時高溫作用帶來的副作用、高強螺栓的應力松弛問題等，需要工程技術界進行深入研究。

參考文獻

[1] GB 50068-2001.建筑結構可靠度設計統一標準[S]

[2] YB 9257-96.鋼結構檢測評定及加固技術規程[S]

[3] CECS 77：96.鋼結構加固技術規范[S]

[4] GB50550-2010.建筑結構加固工程施工質量驗收規范[S]

[5] GB 50017-2003.鋼結構設計規范[S]

[6] 楊勇新等.纖維增強復合材料加固鋼結構技術規程.征求意見稿.[S]

[7] 萬馨等.某煉鋼廠房結構體系的改造與加固[J].工業建筑，2009.23（5）：13-15

[8] 龔順風等.加固鋼柱的非線性屈曲性能研究[J].鋼結構，2011.26（11）：15-19

[9] 盧亦焱等.碳纖維布與鋼板粘貼復合材料徐變性能試驗研究[J].建筑結構學報，2011.32（4）：9-14

[10] 石永久等.中高強度剛才鋼框架梁柱組合節點抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2009.42（4）：48-54

[11] 孫建東等.空間KK形圓管搭接節點承載力計算公式改進研究[J].建筑結構學報，2013.34（2）：99-105

2.3減小作用效應法

減小作用效應法的思路是采用改變荷載分布狀況（如將集中荷載改為多個集中荷載）、傳力途徑、節點性質、邊界條件、增設附加桿件和支撐、減小桿件自由長度、施加預應力、考慮空間協同工作等措施，改變構件的受力特征，降低其應力水平。對超靜定結構支座還可以進行強迫位移。

2.3.1受彎構件的加固

考慮減小作用效應時，受彎構件加固的方法主要有：

（1）調整結構支座位置，改變結構跨度；

（2）改變端部支撐情況，如該鉸接和鋼接；

（3）增加中間支座，將簡支改為連續；

（4）將構件改為支撐式結構（圖7、圖8）。

2.3.2桁架桿件的加固

改變桁架桿件內力的方法主要有：

（1）增加撐桿，變桁架為撐桿式構架（圖9、圖10）；

（2）加設預應力拉桿（圖11、圖12）

2.3.3改善構件受力狀況

在結構中可以采用以下方法改善構件的受力狀況：

（1）加強節點和增加支撐，如：采取相應措施，使鋼屋架和天窗架共同工作；

（2）排架和框架中，為減小加固工作量和加固施工影響，集中加強某一柱列剛度，其他柱列可不加固或少加固（圖13）。

2.3.4增加支撐或輔助構件

（1）增加屋蓋支撐及結構空間剛度使排架柱可以按空間結構進行驗算，挖掘結構的潛力（圖14）。

（2）增設支撐以調整結構的自振頻率，改善結構的動力性能（圖15）。

（3）增設支撐以減小構件長細比，提高穩定性（圖16、圖17）。

（4）在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊拉索，加強結構的剛度（圖18）。

改變結構計算圖形的加固過程（包括施工過程）中，除應對被加固結構承能力和正常使用極限狀態進行計算外，尚應注意對相關結構構件承載能力和使用功能的影響，考慮在結構、構件、節點以及支座中的內力重分布，對結構（包括基礎）進行必要的補充驗算，并采取切實可行的合理構造措施。采用改變結構計算圖形的加固方法，設計與施工應緊密配合，未經設計允許，不得擅自修改設計規定的施工方法和程序。采用調整內力的方法加固結構時，應在加固設計中規定調整內力或規定位移的數值和允許偏差，及其檢測位置和檢驗方法。

3.我國主要的鋼結構工程加固標準情況

1996年11月，冶金工業部發布了《鋼結構檢測評定及加固技術規程》YB 9257-96，自1997年7月1日起施行。在加固方面，規定了加固的原則和方法、材料、荷載、計算的基本規定、構造要求等。規程中規定了增加截面的加固方法、加固中的連接、吊車梁系統的加固、荷載作用下的焊接加固，以及加固工程的驗收。

1996年5月，中國工程建設標準化協會發布了《鋼結構加固技術規范》CECS 77：96，規定了加固基本原則和一般方法。加固的方法主要有改變結構計算圖形的加固和加大構件截面的加固。規程規定了連接的加固和加固件的連接、裂紋的修復與加固，以及加固工程的施工安全和驗收。

2010年10月，住房和城鄉建設部發布了《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》GB 50550-2010，對其中鋼構件增大截面工程、鋼構件焊縫補強工程、鋼結構裂紋修復工程的施工質量和驗收方法進行了規定。

以上標準在加大鋼構件的截面時均采用鋼材，而大量試驗及數值模擬表明，纖維增強復合材料（FRP）加固技術也可以有效提高鋼結構的承載力，該方法還適合于腐蝕環境、施工困難的鋼結構。

2014年初，冶金建筑研究總院主編的中國工程建設標準化協會標準《纖維增強復合材料加固鋼結構技術規程》進入征求意見階段。規程中對受拉構件的加固、軸壓構件的加固、工字型鋼梁受彎構件的加固、鋼管的加固與修復、抗疲勞加固等做出了規定，為鋼結構加固提供了嶄新的思路。

4.主要問題和發展方向

我國正大力推動建筑工業化進程，鋼結構是其中的重要組成部分。可以想見，今后將有更多的鋼結構工程應用于工業與民用建筑之中。

但是也應該看到，鋼結構工程往往是人員聚集、大型活動的場所，鋼結構的安全性尤為重要。鋼結構事故類型最主要有：穩定性破壞（局部失穩和整體失穩），由鋼結構構造、應力集中、應力幅等引起的疲勞問題，由低溫和動載、材質缺陷、鋼板厚度、應力腐蝕等引起的脆性破壞和化學腐蝕、電化學腐蝕等。對鋼結構的加固技術進行相應的研究非常必要。

從我國現階段關于鋼結構工程加固的標準看，主要的加固技術標準發布較早，技術相對滯后。鋼結構加固中部分領域的研究尚不充分，如節點的加固問題、負載作用下的焊接問題、焊接時高溫作用帶來的副作用、高強螺栓的應力松弛問題等，需要工程技術界進行深入研究。

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[9] 盧亦焱等.碳纖維布與鋼板粘貼復合材料徐變性能試驗研究[J].建筑結構學報，2011.32（4）：9-14

[10] 石永久等.中高強度剛才鋼框架梁柱組合節點抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2009.42（4）：48-54

[11] 孫建東等.空間KK形圓管搭接節點承載力計算公式改進研究[J].建筑結構學報，2013.34（2）：99-105

2.3減小作用效應法

減小作用效應法的思路是采用改變荷載分布狀況（如將集中荷載改為多個集中荷載）、傳力途徑、節點性質、邊界條件、增設附加桿件和支撐、減小桿件自由長度、施加預應力、考慮空間協同工作等措施，改變構件的受力特征，降低其應力水平。對超靜定結構支座還可以進行強迫位移。

2.3.1受彎構件的加固

考慮減小作用效應時，受彎構件加固的方法主要有：

（1）調整結構支座位置，改變結構跨度；

（2）改變端部支撐情況，如該鉸接和鋼接；

（3）增加中間支座，將簡支改為連續；

（4）將構件改為支撐式結構（圖7、圖8）。

2.3.2桁架桿件的加固

改變桁架桿件內力的方法主要有：

（1）增加撐桿，變桁架為撐桿式構架（圖9、圖10）；

（2）加設預應力拉桿（圖11、圖12）

2.3.3改善構件受力狀況

在結構中可以采用以下方法改善構件的受力狀況：

（1）加強節點和增加支撐，如：采取相應措施，使鋼屋架和天窗架共同工作；

（2）排架和框架中，為減小加固工作量和加固施工影響，集中加強某一柱列剛度，其他柱列可不加固或少加固（圖13）。

2.3.4增加支撐或輔助構件

（1）增加屋蓋支撐及結構空間剛度使排架柱可以按空間結構進行驗算，挖掘結構的潛力（圖14）。

（2）增設支撐以調整結構的自振頻率，改善結構的動力性能（圖15）。

（3）增設支撐以減小構件長細比，提高穩定性（圖16、圖17）。

（4）在塔架等結構中設置拉桿或適度張緊拉索，加強結構的剛度（圖18）。

改變結構計算圖形的加固過程（包括施工過程）中，除應對被加固結構承能力和正常使用極限狀態進行計算外，尚應注意對相關結構構件承載能力和使用功能的影響，考慮在結構、構件、節點以及支座中的內力重分布，對結構（包括基礎）進行必要的補充驗算，并采取切實可行的合理構造措施。采用改變結構計算圖形的加固方法，設計與施工應緊密配合，未經設計允許，不得擅自修改設計規定的施工方法和程序。采用調整內力的方法加固結構時，應在加固設計中規定調整內力或規定位移的數值和允許偏差，及其檢測位置和檢驗方法。

3.我國主要的鋼結構工程加固標準情況

1996年11月，冶金工業部發布了《鋼結構檢測評定及加固技術規程》YB 9257-96，自1997年7月1日起施行。在加固方面，規定了加固的原則和方法、材料、荷載、計算的基本規定、構造要求等。規程中規定了增加截面的加固方法、加固中的連接、吊車梁系統的加固、荷載作用下的焊接加固，以及加固工程的驗收。

1996年5月，中國工程建設標準化協會發布了《鋼結構加固技術規范》CECS 77：96，規定了加固基本原則和一般方法。加固的方法主要有改變結構計算圖形的加固和加大構件截面的加固。規程規定了連接的加固和加固件的連接、裂紋的修復與加固，以及加固工程的施工安全和驗收。

2010年10月，住房和城鄉建設部發布了《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》GB 50550-2010，對其中鋼構件增大截面工程、鋼構件焊縫補強工程、鋼結構裂紋修復工程的施工質量和驗收方法進行了規定。

以上標準在加大鋼構件的截面時均采用鋼材，而大量試驗及數值模擬表明，纖維增強復合材料（FRP）加固技術也可以有效提高鋼結構的承載力，該方法還適合于腐蝕環境、施工困難的鋼結構。

2014年初，冶金建筑研究總院主編的中國工程建設標準化協會標準《纖維增強復合材料加固鋼結構技術規程》進入征求意見階段。規程中對受拉構件的加固、軸壓構件的加固、工字型鋼梁受彎構件的加固、鋼管的加固與修復、抗疲勞加固等做出了規定，為鋼結構加固提供了嶄新的思路。

4.主要問題和發展方向

我國正大力推動建筑工業化進程，鋼結構是其中的重要組成部分。可以想見，今后將有更多的鋼結構工程應用于工業與民用建筑之中。

但是也應該看到，鋼結構工程往往是人員聚集、大型活動的場所，鋼結構的安全性尤為重要。鋼結構事故類型最主要有：穩定性破壞（局部失穩和整體失穩），由鋼結構構造、應力集中、應力幅等引起的疲勞問題，由低溫和動載、材質缺陷、鋼板厚度、應力腐蝕等引起的脆性破壞和化學腐蝕、電化學腐蝕等。對鋼結構的加固技術進行相應的研究非常必要。

從我國現階段關于鋼結構工程加固的標準看，主要的加固技術標準發布較早，技術相對滯后。鋼結構加固中部分領域的研究尚不充分，如節點的加固問題、負載作用下的焊接問題、焊接時高溫作用帶來的副作用、高強螺栓的應力松弛問題等，需要工程技術界進行深入研究。

參考文獻

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