1、鋼結構加固方法與連接的可靠性分析收稿日期:2010203211作者簡介:趙凱(19792,男,結構工程師,深圳市建筑設計研究總院有限公司,廣東深圳518000趙凱摘要:通過對鋼結構的連接形式,如焊接連接、螺栓連接和混合連接加固進行論述,分析了各種連接的可靠性計算理論,得出了可靠性和加固的最優方法,對從事鋼結構工程的技術人員具有一定的指導意義。關鍵詞:鋼結構,加固方法,可靠性,混合連接中圖分類號:TU311.2文獻標識碼:A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

2、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

3、緊螺帽,使螺桿產生很大的預應力。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滑動,故采用共用節點來進行模擬。本文有限元模擬結果與本文式(1的計算結果比較見圖3。從圖3可得出,盡管本文所得到的有限元結果與理論結果有一定的偏差,但是隨著應力梯度系數的增加,局部臨界屈曲應力cr 都呈現出減少的趨勢。4結語本文對文獻6中的應力梯度系數的取值范圍進行了修改。并將式(1的計算結果與本文的有限元結果進行比較后得出:盡管本文所得到的有限元結果與理論結果有一定的偏差,但是隨著應力梯度系數的增加,局部臨界屈曲應力cr 都呈現出減少的趨勢。參考文獻: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關系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 .西安建筑科技大學學報,2002,34(3:1

5、24.5韓林海.鋼管混凝土結構M .北京:科學出版社,2003.6曹遠軍,黃明奎.矩形鋼管混凝土柱局部屈曲分析J .重慶交通大學學報(自然科學版,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

8、: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。G BJ 68284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,結構設計中必須考慮的各基本因素

9、是非確定性的,稱其為基本隨機變量,記為x i 。結構極限狀態方程為:g (x i =0,其中x i =x 1,x 2,x n T,引入標準化變量后得下式:=-x 3T ×G 3G ×G 。由目標值確定抗力分項系數R 。設R k 是由設計表達式求出的抗力的標準值,R 3k 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R k =R 3k 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算求得R kj 可進一步求出抗力

10、分項系數R 。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f 。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410N/mm 2,變異系數0.111,正面角焊縫20個平均值558N/mm 2,變異系數0.093。根據TJ 17274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

11、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1mm 3mm 。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

12、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。荷載效應比值按常見值考慮,即取p =S GK /S Q K =0.25,0.5,1.0,2.0分別按一次。二階矩法計算相應的可靠指標,計算結果與TJ 17274鋼結構設計規范關于高強度螺栓連接的總體可靠度指標對比發現,螺的出入。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

13、連接時,兩種連接的承載力比值在11.5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。參

14、考文獻:1王日午.鋼結構變形極限狀態的近似概率分析J .工業建筑,1981(9:50251.2戴國欣,夏正中.建筑鋼結構適用性分析J .建筑結構學報,2000(3:66267.3汪延壽.風荷載作用下輸電塔結構體系可靠度分析J .山西建筑,2009,35(16:53254.4戴國欣,夏正中,黃友明.鋼結構規范安全度及相關問題評述J .建筑科學,1999(5:83284.5曾波,戴國欣,夏正中.高強度螺栓連接的可靠性評估J .工業建筑,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構墻體加固中的應用研究收稿日期:2010203204作者簡介:呂志明(198

15、02,男,助理工程師,山東豐匯集團有限公司,山東濟南250200高興勝(19792,男,助理工程師,山東恒力熱電設計院有限公司,山東濟南250100呂志明高興勝摘要:對砌體結構墻體常出現的破壞形式進行了分析,說明了其加固的必要性及提出了常用的加固方法,通過對碳纖維布加固砌體結構墻體的應用研究,表明了碳纖維布對砌體結構墻體強度的提高是十分有效的。關鍵詞:碳纖維布(CFS ,砌體墻體,加固中圖分類號:TU746.3文獻標識碼:A據統計,目前我國已建現有建筑中絕大多數為磚混結構形式的建筑,現存珍貴文物保護建筑或構筑物大多數是砌體結構。隨著我國經濟的不斷發展,結構的設計標準、抗震標準也在不斷提高,許多

16、已有建筑已不適應現行的安全標準。歷次震害表明,許多無筋磚房遭到了嚴重破壞甚至倒塌,損傷慘重。甚至一些新建筑也存在安全隱患,但實際情況并不允許將其全部推倒重建,而只能采取適當的措施,對其進行補強與加固處理,使這些建筑仍能滿足人們對建筑安全性、適用性和耐久性的要求。同時,由于我國多數地區都處于地震區,因此在新建建筑不斷增加的同時,對現有建筑的維護和補強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,砌體結構中的墻體往往產生斜裂縫或交叉斜裂縫,從而造成結構的破壞,產生這種裂縫的原因是墻體的抗剪強度不足。從調查的資料來看,裂縫形式呈斜向或交

17、叉的“X ”形裂縫,當墻體的高寬比比較小時,墻體中段出現水平開裂,見圖1 。1.2砌體結構的修復或加固1砌體結構在下列情況下進行修復或加固:1由于地基不均勻沉降墻體產生裂縫;2由于屋面熱脹冷縮,墻體產生溫度裂縫;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在地震設防區經抗震鑒定,房屋抗震驗算或房屋抗震構造措施不滿足要求;6地震發生房屋受損。2墻體加固目前,工程上對墻體抗震加固的方法主要有:1內設構造柱與圈梁抗震加固方法;2外加構造柱與鋼拉桿抗震加固方法;3墻體內配筋抗震加固方法;4預應力磚墻抗震加固方法;5外貼面層抗震加固方法;6無粘結外包型鋼加固法;7灌漿法和噴

18、射修補法。3碳纖維布加固技術碳纖維布(Carbon Fiber Sheet ,簡稱CFS 結構加固技術是指采用高性能粘結劑將碳纖維布粘貼在建筑結構構件表面,使兩者共同工作,提高構件承載能力,由此達到對建筑物進行加固補強的目的。碳纖維布加固技術是纖維增強塑料應用技術中一種使用較普遍、性能較好的結構外部加固新技術。粘貼纖維材料加固技術的主要特點有2:1高強高效。纖維材料物理力學性能優異,在加固修補結構中可以充分利用其高強度、高彈性模量的特點來提高結構的承載力,改善其受力性能,達到高強高效的目的。2施工工序簡單。可用小型電動工具操作,可在傳統技術無法施工的有限作業空間內施工。工期短,更能在持續交通的

19、情況下操作。從而大大縮短工程停工、停運的時間。3根據受力分析可以進行多層粘貼,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。纖維材料多具有優異的化學穩定性,使經過補強和維修的結構具有抗酸、堿、鹽、紫外線侵蝕和防水能力。具有足夠的適應氣溫變化的能力。易于外加防火涂層后以有效防火?？梢源蟠笤鰪娊Y構對惡劣外部環境的適應能力,延長結構壽命。5耐疲勞性能好。6適用面廣。纖維材料加固修補結構可以廣泛應用于各種結構類型、各種結構形狀、各種結構部位的加固修補,而且不改變結構形狀及不影響結構的外觀。尤其對一些大型土木工程等,采用傳統的加固手段幾乎無法實現,而采用纖維材料加固技術都能很好地解決。7纖維材料質輕而薄。幾乎不增加結構自重和截面尺寸,對原結構幾乎不會造成新的損