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钢结构加固补强法简介

日期:2020-04-08
建筑工程中为延长钢结构使用寿命,确保钢结构安全工作,同时又避免产生大的浪费,建筑钢结构加固技术应运而生。本篇推出加固系列二"钢结构加固补强法"试与钢结构工程设计、监理、施工等人员参考
一、钢结构加固补强法的一般规定
1.简介
钢结构加固连接分为两种情况:一种是原有连接件的加固,包括节点的加固;另一种是加固件与原有构件的连接。
连接加固和加固件的连接方法应根据钢结构加固的原因、受力状态、构造和施工条件,并考虑原有构件的连接方法而确定。可采用焊接、铆接、高强度螺栓连接和混合连接的方法,铆接连接的刚度最小(普通螺栓连接除外),焊接连接刚度大、整体性好,高强度螺栓连接介于两者之间。
2.连接件加固和加固件连接的一般规定
1)钢构件加固连接方法的选择,应根据结构加固的原因、受力状态及施工条件,并考虑结构原有的连接方法确定。一般可与原有结构的连接方法一致。即当原有结构是铆钉连接时,可采用摩擦型高强螺栓连接加固;原有结构为焊接时,应选用焊接连接而不宜采用螺栓等其他连接方式。
2)在同一受力部位连接的加固中,不宜采用刚度相差较大的,如焊缝与铆钉或普通螺栓共同受力的混合连接方法。钢结构常用连接方法中,其连接的刚度即破坏时抵抗变形能力的大小依次为焊接、摩擦型高强度螺栓、铆接、普通螺栓。一般应采用刚度较大的连接加固比其刚度小的连接,但在受力较简单明确的接头中,可经研究采用焊缝和高强度螺栓共同受力的混合连接。
3)加固连接所用材料应与原有连接材料的性质相匹配,其技术指标和强度设计值应符合《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中第3.3.8条、第3.4.1条、第3.4.2条的规定。加固连接材料如金属焊条等,应与原结构及其连接材料相容、协调、一致,并使彼此能很好结合,强度、韧性、塑性良好。
二、钢结构加固补强法--焊接连接加固
1)焊缝连接的加固,可采用增加焊缝厚度、或增加长度的方法实现。
2)新增加固角焊缝的长度和焊脚尺寸或熔焊层的厚度,应由连接处结构加固前后设计受力改变的差值,并考虑原有连接实际可能的承载力计算确定。计算时应对焊缝的受力重新进行分析并考虑加固前后的焊缝共同工作、受力状态的改变以及第5)条和第6)条的规定。
3)负荷下用焊缝加固结构时,应尽量避免采用长度垂直于受力方向的横向焊缝,否则应采取专门的技术措施和施焊工艺,以确保结构施工时的安全。使用哪种方法,都应经过对施焊前后和过程中焊接连接强度的计算。
4)负荷下用增加非横向焊缝长度的方法加固焊缝连接时,原有焊缝中的应力不得超过该焊缝的强度设计值,加固处及其邻区段结构的最大初始名义应力σ0,max不得超过钢结构增大截面加固法工程一般规定中第4)条的规定。焊缝施焊时采用的焊条直径不大于4mm;焊接电流不超过220A;每焊道的焊脚尺寸不大于4mm;前一焊道温度冷却至100℃以下后,方可施焊下一焊道;对于长度小于200mm的焊缝增加长度时,首焊道应从原焊缝端点以外至少20mm处开始补焊,加固前后焊缝可考虑共同受力,按第6)条规定进行强度计算。施焊时的焊条直径、电流强度、每焊道焊脚尺寸及焊道施焊的时间间隔等均应给予限制,以避免金属过热及减少焊接残余应力。
三、钢结构加固补强法--螺栓和铆钉连接加固
1.一般规定
1)螺栓或铆钉需要更换或新增加固其连接时,应首先考虑采用适宜直径的高强度螺栓连接。当负荷下进行结构加固,需要拆除结构原有受力螺栓、铆钉或增加、增大钉孔时,除应设计计算结构原有和加固连接件的承载力外,还必须校核板件的净截面面积的强度。
2)当用摩擦型高强度螺栓部分地更换结构连接的铆钉,从而组成高强度栓螺和铆钉的混合连接,应考虑原有铆钉连接的受力状况,因同直径的摩擦型高强度螺栓的承载力一般仅为铆钉连接抗剪承载力的85%,为保证连接受力的匀称,宜将缺损铆钉和与其相对应布置的非缺损铆钉一并更换。对于构造性铆钉可以不受此限。
3)当用高强度螺栓更换有缺陷的铆钉和螺栓时,可选用直径比原钉孔小1~3mm的高强度螺栓,但其承载力必须满足加固设计计算的要求,主要针对经计算用摩擦型高强度螺栓可以有足够强度下的损伤失效、松动的铆钉的情况。
4)用摩擦型高强度螺栓加固铆钉连接的混合,可考虑两种连接的共同受力工作,但高强度螺栓的承载力设计值可按《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)第7.2.1条至第7.2.5条的有关规定计算确定。相同直径高强度螺栓,仅当承压型设计时,其抗剪设计承载力才可能高于铆钉连接,此时必须对原孔的不平整性进行处理并用B级或A级螺栓。
5)用焊缝连接加固螺栓或铆钉连接时,由于焊缝连接的刚度远大于铆钉和螺栓连接,因此不能考虑两者共同受力,而应按焊缝承受全部作用力设计计算其连接,不考虑焊缝与原有连接件的共同工作且不宜拆除原有的铆钉和螺栓,已损坏失效者除外。
2.普通紧固件连接施工
(1)工艺流程
普通紧固件连接施工工艺流程如图2-1所示。
2--1 施工工艺流程图
(2)螺栓装配
1)装配要求。
① 螺栓头和螺母下面应放置平垫圈,以增大承压面积。
② 每个螺栓一端不得垫两个及以上的垫圈,并不得采用大螺母代替垫圈。螺栓拧紧后,外露丝扣不应少于2扣。
③ 对于设计有要求防松动的螺栓、锚固螺栓应采用有防松装置的螺母(即双螺母)或弹簧垫圈,或用人工方法采取防松措施(如将螺栓外露丝扣打毛)。
④ 对于承受动荷载或重要部位的螺栓连接,应按设计要求放置弹簧垫圈,弹簧垫圈必须设置在螺母一侧。
⑤ 对于工字钢、槽钢类型钢应尽量使用斜垫圈,使螺母和螺栓头部的支承面垂直于螺杆。
⑥ 双头螺栓的轴心线必须与工件垂直,通常用角尺进行检验。
⑦ 装配双头螺栓时,首先将螺纹和螺孔的接触面清理干净,然后用手轻轻地把螺母拧到螺纹的终止处,如果遇到拧不进的情况,不能用扳手强行拧紧,以免损坏螺纹。
2)螺母与螺钉的装配。
① 螺母或螺钉与零件贴合的表面要光洁、平整,贴合处的表面应当经过加工,否则容易使连接件松动或使螺钉弯曲。
② 螺母或螺钉和接触的表面之间应保持清洁,螺孔内的脏物要清理干净。
③ 拧紧成组的螺母时,必须按照一定的顺序进行,并做到分次序逐步拧紧(一般分三次拧紧),否则会使零件或螺杆产生松紧不一致,甚至变形。在拧紧长方形布置的成组螺母时,必须从中间开始,逐渐向两边对称扩展,如图2-2(a)所示,在拧紧方形或圆形布置的成组螺母时,必须对称地进行,如图2-2中(b)与(c)所示。
图2-2 拧紧成组螺母的方法
(a)长方形布置;(b)方形布置;(c)圆形布置
(3)紧固和防松
1)紧固轴力。
① 考虑螺栓受力均匀,尽量减少连接件变形对紧固轴力的影响,保证节点连接螺栓的质量。螺栓紧固必须从中心开始,对称施拧;对30号正火钢制作的各种直径的螺栓施拧时所承受的轴向允许荷载见表2-3。
表2-3 各种直径螺栓的允许荷载
注:对于Q235及45号钢应将表中允许值分别乘以修正系数0.75及1.1。
② 永久螺栓拧紧的质量检验采用锤敲或力矩扳手检验,要求螺栓不颤头和偏移,拧紧的真实性用塞尺检查,对接表面高度差(不平度)不应超过0.5mm,对接配件在平面上的差值超过0.5~3mm时,应对较高的配件高出部分作成1:10的斜坡,斜坡不得用火焰切割。当高度超过3mm时,必须设置和该结构相同钢号的钢板做成的垫板,并用连接配件相同的加工方法对垫板的两侧进行加工。
2)防松措施。
一般螺纹连接均具有自锁性,在受静载和工作温度变化不大时,不会自行松脱。但在冲击、振动或变载荷作用下,以及在工作温度变化不大时,这种连接有可能松动,影响工作,甚至发生事故。为了保证连接安全可靠,对螺纹连接必须采取有效的防松措施。
一般常用的防松措施有增大摩擦力、机械防松和不可拆三大类。
① 增大摩擦力的防松措施。这类防松措施是使拧紧的螺纹之间不因外载荷变化而失去压力,因而始终有摩擦阻力防止连接松脱。增大摩擦力的防松措施有安装弹簧垫圈和使用双螺母等。
② 机械防松。这类防松措施是利用各种止动零件,阻止螺纹零件的相对转动来实现防松。机械防松较可靠,所以应用较多。常用的机械防松措施有开口销与槽形螺母、止退垫圈与圆螺母、止动垫圈与螺母、串联钢丝等。
③ 不可拆的防松措施。利用点焊、点铆等方法把螺母固定在螺栓或被连接件上,或者把螺钉固定在被连接件上,达到防松的目的。
3.高强度螺栓连接施工
(1)工艺流程
高强度螺栓连接施工工艺流程如图2-4所示。
图2-4 高强度螺栓连接施工工艺流程图
(2)摩擦面处理
高强度螺栓连接的形式和尺寸与普通螺栓连接基本上一样,所不同的是,在安装高强度螺栓时,必须将螺帽拧得很紧,使螺栓中的预拉力达到设计的预拉力值,预拉力值的大小约为屈服点的80%左右,从而对构件连接处产生很高的预紧力。为了安装的方便,孔径比螺栓杆大1~2mm,螺栓杆与孔壁之间视为不接触,这样在外力的作用下,高强度螺栓连接就全靠构件连接处的接触面的摩擦来防止发生滑动并传递内力。
摩擦面的处理是指高强度螺栓连接时对构件接触面的钢材表面加工。构件表面经过加工,使其接触外表面的抗滑系数达到设计要求的额定值,一般为0.45~0.55。在高强度螺栓连接范围内,构件接触面的处理方法应在施工图中说明。
1)高强度螺栓连接中,摩擦面的状态对连接接头的抗滑移承载力有很大的影响,因此摩擦面必须进行处理,常见的处理方法如下:
① 喷砂或喷丸处理。砂粒粒径为1.2~1.4mm,喷射时间为1~2min,喷射风压为0.5Pa,处理完表面粗糙度可达45~50μm。
② 喷砂后生赤锈处理。喷砂后放露天生锈60~90d,表面粗糙度可达到55μm,安装前应对表面清除浮锈。
③ 喷砂后涂无机富锌漆处理,目的是为了防锈,一般要求涂层厚度为0.6~0.8μm。
④ 砂轮打磨。使用粗砂轮沿垂直受力方向打磨,打磨后置于露天使其产生生锈效果,表面粗糙度可达5μm以上,但离散性较大。
⑤ 手工钢丝刷清理。使用钢丝刷将钢材表面的氧化铁皮等污物清理干净,处理比较简便,但抗滑移系数较低,适用于次要结构和构件。
2)摩擦面的抗滑移系数按《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)规定的抗滑移系数值,见表2-5。
表2-5 摩擦面的抗滑移系数值
3)经处理的摩擦面,出厂前应按批作抗滑移系数试验,最小值应符合设计的要求;出厂时应按批附3套与构件相同材质、相同处理方法的试件,由安装单位复验抗滑移系数。在运输过程中试件摩擦面不得损伤。
4)处理好的摩擦面,不得有飞边、毛刺、焊疤或污损等。
5)应注意摩擦面的保护,防止构件运输、装卸、堆放、二次搬运、翻吊时连接扳的变形。安装前,应处理好被污染的连接面表面。
6)处理好的摩擦面放置一段时间后会先产生一层浮锈,经钢丝刷清除浮锈后,抗滑移系数会比原来提高。一般情况下,表面生锈在60天左右达到最大值。因此,从工厂摩擦面处理到现场安装时间宜在60天左右时间内完成。
处理好摩擦面的构件,应有保护摩擦面的措施,并不得涂油漆或污损。出厂时必须附有三组同材质同处理方法的试件,以供复验摩擦系数。
高强度螺栓板面接触应平整,间隙应按表2-6的规定加工。
表2-6 板面接触间隙加工
注:1为垫板;2为磨斜面。
四、钢结构加固补强法--加固件连接
1)为加固结构而增设的板件(加固件),除须有足够的设计承载力和刚度外,还必须与被加固结构有可靠的连接以保证二者良好的共同工作。即加固板件应经过计算,使其具有足够的承受荷载的能力和刚度,并与结构有可靠的连接。
2)加固件与被加固结构间的连接,应根据设计受力要求经计算并考虑构造和施工条件确定。对于轴心受力构件可根据式(4-33)计算;对于受弯构件,应根据可能的最大设计剪力计算;对于压弯构件,可根据以上二者中的较大值计算。
3)加固件的焊接、螺栓、铆钉等连接的计算可按《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)第7.1.2条至第7.1.5条和第7.2.1条至第7.2.3条的规定进行,但计算时,对角焊缝强度设计值应乘以0.85,其他强度设计值或承载力设计值应乘以0.95的折减系数。例如对单角钢单向连接角焊缝强度则应乘以0.85×0.85=0.72的系数。

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