[摘要] 1 绪论1 1 钢结构加固的背景与意义改革开放以来，我国经济
1. 绪论
1.1 钢结构加固的背景与意义
改革开放以来，我国经济取得了巨大的腾飞，综合国力的壮大必须依靠强大的工业基础，于是钢结构在工程建设领域发展十分迅速。截至目前钢结构主要涉及到大跨度公共建筑、住宅商业一体化高层和超高层建筑、普通民用住宅、工业厂房、大跨度桥梁、体育运动馆、飞机候机厅等众多领域。但随着时间的推移和周围环境的不良影响建筑结构或构件本身受到不同程度的损伤逐步无法正常安全实现其原有功能，此时必要进行检测[1]。以便掌握建筑物或构件本身的基本状况，及时做好各种预防工作，进而贯彻“百年大计、质量第一”的方针。在钢结构迅速发展的形势下，对已建或在建钢结构房屋需要定期检测鉴定有必要时需加固设计，对于重大的建筑结构，例如工业厂房、体育馆、展览馆及大跨度公共建筑，一旦出现结构破坏，将无法估计人身伤亡和财产损失。如美国哈特福特城的体育馆因压杆失稳而倒塌；2013 年 5 月 4 日山东省济阳县一在建钢结构楼房突发坍塌造成 4 人重伤 2 人死亡，2015 年 3 月 24 日，位于浙江省宁波的某工业区厂房部分倒塌，事故造成 2 人死亡 5 人受伤。上面的安全事故部分由于建造阶段可能发生的设计疏忽和施工失误，另有正常使用阶段可能出现的自然灾害和人为因素，导致在正常设计基准期内出现了构件承载力不足、耐久性能降低等不良状况。为了避免工程伤亡事故的发生，需对结构本身的抗力和结构上的各种作用进行检测计算与分析，以及时发现危险所在之处，对不满足条件的构件据不同情况给予不同程度的加固或其他补强措施，改善结构工作条件，加大安全储备等[2]。
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1.2 钢结构加固国内外研究现状
经济发达国家的钢结构加固行业起步早，在此阶段前大都经历了大规模新建、新建与维修改造并举，在这期间工业发达国家积累了丰富的理论知识与大量技术经验，部分发达国家在建筑加固行业已经觉察到经济价值与社会效益的可观性，值得鼓励倡导，尤其对工业建筑。例如：英国上世纪 80 年代投资于建筑改造的资金是 1965 年的 3.76 倍，同时期建筑改造加固工程量占英国建筑工程总量的 2/3[4]；同样在美国建筑加固改造的工程数量已经大于新建项目工程数量的 3倍， 而且这个比例仍在逐步增大[5]。美国在 1980 年针对既有建筑出版了《房屋检查手册》，日本则早在 20 世纪70 年代就颁布了《住宅区改造法》、《土木建筑更换标准》等标准来对既有建筑进行安全评定。英国 1975 一 1980 年间新建工程数量和费用不断减少，建筑物维修改造的费用却逐年增加，1978 年用于投资改造的费用是 1965 年的 3.76 倍，1980 年建筑物维修改造工程占英国建筑工程总量的三分之二；瑞典建筑业 80 年代的首要任务是对己有建筑物进行更新改造，1983 年用于维修改造的投资占建筑业总投资的 50%。原苏联政府认为，在现代条件下的城市改建和改造是城市建设的关键，则在上世纪三十年代就在结构加固设计和施工上颁布了结构加固标准化图集，率先为工程加固改造这一门新兴的学科奠定了基础，并且 20 世纪 80年代后五年计划用于技术改造的投资比前五年增加了 1.7 倍[6][7]。综合以上现象，西方发达国家在建筑检测加固方面有一下几点值得我们学习与借鉴：（1）加固改造技术的成套开发。任何建筑物在进行加固改造之前必须通过相应的技术鉴定，改造加固设计必须以鉴定报告为主要技术依据。检测技术方法不可轻视。（2）新建结构尽早采取防护措施。对既有建筑定期检测，对薄弱地方比如：边缘、节点等易损部位提前做好保护措施，对于大型建筑更需做好防护工作。
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2.工业厂房的检测
2.1 工程概况
某化工厂房为单层钢结构厂房，厂房跨度为 21 米，长度为 66 米，柱距为 6米；厂房柱基础为钢筋混凝土独立基础，厂房设有抗风柱，厂房柱及抗风柱均为H 性钢柱；柱间支撑及吊车梁均采用钢结构。厂房内现设有 1 台 10 吨桥式吊车，改造后吊车吨位变为 16/3.2 吨。该工业厂房由前苏联设计，建造于上世纪 20 世纪 60 年代~70 年代，按设计寿命 50 年计算，该厂房已基本完成使用寿命，并且在此期间厂房部分构件已存在缺陷、损伤等不良状况。由于受当时历史、技术等条件的限制，目前该工业厂房的技术状态已不能完全满足现代化重工业生产的需求，需要将厂房内原有的 1台 10 吨桥式吊车，加固改造后吊车吨位变为 16/3.2 吨。鉴于以上情况需要对改厂房进行检测鉴定与加固处理。
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2.2 检测原理与依据
检测过程中，应根据材料、构件的特点和可能的失效形式，确定重点检测的内容和部位，以下几点需要注意：(1)钢构件受拉和受压时的承载力有很大差别，对于承受较小恒载的构件，如轻型屋盖中的屋架等构件，在风荷载等可变荷载的作用下，其杆件内力可能发生变号，由受拉转为受压，这种转变将严重降低杆件的承载力，检测中应该对这种可能性进行必要的检查。(2)结构的重要性、荷载特征、连接方法、工作环境等不同，对结构材料和连接材料的要求也不同，因此检测中应特别注意对材料的调查和测试。(3)钢构件的稳定问题突出，其稳定性与端部约束、侧向支撑、板件边缘质量、几何偏差等因素有很大的关系，且比较敏感。检测中应该注意对相关构造、质量缺陷和几何偏差的检查。同时，钢构件的稳定性对割伤、锈蚀等造成的截面缺损，碰撞、悬挂吊物等引起的局部变形，意外的横向荷载等也较敏感，还应注意对构件损伤和意外作用的调查和检测，包括对防撞等设施的检查。(4)钢构件的疲劳破坏与很多因素有关，当存在较大缺陷和复杂的高峰应力、残余应力时，承受动力荷载的钢构件则发生疲劳破坏，应重点检查钢构件中易出现质量缺陷、应力集中现象的部位和焊缝区域。同时，不正常的使用也会降低构件的抗疲劳能力，如超负荷使用、随意施焊等，检测中应对异常作用和损伤进行调查和检测。(5)钢材的锈蚀对材料性能和构件、节点的承载力都可能产生较大的影响，而锈蚀现象除对气象条件、使用环境等宏观因素有关外，还与其局部环境有关，特别是局部的腐蚀介质浓度、湿度和温度，当构件的局部环境与建筑物的整个环境有较大差别时，应注意调查构件局部的腐蚀介质浓度、湿度和温度等。
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3.工业厂房的加固设计......25
3.1 钢结构加固原理...........25
3.1.1 钢结构加固的基本程序.....25
3.1.2 钢结构加固的一般原则.....25
3.2 常用钢结构加固的方法........27
3.2.1 增大构件截面法........27
3.2.2 改变结构计算图形的加固.........31
3.3 工业厂房的加固方案....34
4.排架柱加固后的计算分析......36
4.1 荷载调查.......36
4.2 结构构件承载力验算...........36
4.3 排架柱加固后 PKPM 结构验算......37
4.4 SAP2000 结构模态分析........43
4.4.1 概述....43
4.4.2 模态分析....44
4.4.3 模态分析结果判别....48
5.吊车梁的加固处理及内力分析......49
5.1 吊车梁的加固处理.......49
5.2 吊车的基本资料...........49
5.3 有限元模型的建立.......50
5.4 有限元计算结果...........52
5.5 有限元计算结果分析...........55
5.吊车梁的加固处理及内力分析
5.1 吊车梁的加固处理
现有厂房内设有 1 台 10 吨桥式吊车，吊车梁跨度为 6m。目前吊车起重吨位 10t 已不能满足现代的作业生产，需增加至 16t；又因该厂房使用年代已久，根据现场检测数据可知吊车梁已出现不同程度的锈蚀，再者考虑到疲劳寿命的影响，鉴于以上不利因素对该吊车梁直接进行了加固处理。为了避免扰动吊车梁上部的其他构件，且便于加固作业，采用增大截面的加固方案，在吊车梁下方增加一小梁，连接方式为螺栓连接。如图 5.1 所示。参考表 2.5 对吊车梁的检测数据，在建模仿真模拟时对吊车梁的原有板厚尺寸给予折减 2mm。为了后期能更加清晰地观察到吊车梁在移动荷载作用下的变形及应力大小的分布，采用板壳对象里的壳单元来完成对吊车梁的建模。对吊车梁加固方案采用在其下面加一小梁并采用螺栓与原吊车梁连接，为了更加真实的仿真模拟并且使加固后上下的两道梁能变形协调，在有限元建模中，将原吊车梁的 10mm 厚下翼缘板与新加小钢梁的 10mm 厚上翼缘板用 18mm 厚（考虑 2mm 的腐蚀折减）壳单元连接其成为一个整体。
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结论
本文在国内外学者研究成果的基础之上，展开了关于钢结构检测和加固设计的论述及相关计算分析，首先对该厂房进行相关的检测，然后以安全性、经济性、施工周期为主要目标来寻求最佳的结构加固方案，而后依据加固方案和检测数据对厂房的重要构件柱子和吊车梁进行了加固设计，最后分别利用工程应用软件PKPM 和 SAP2000 对加固后的厂房分析计算。现将本文的主要内容做如下总结:
（1）首先对组成柱子和吊车梁的钢板进行了强度检测、厚度检测以及柱子垂直度的检测。这一系列的检测工作为之后的加固设计提供了必要的工程数据。
（2）根据以上检测的相关数据，得知柱子和吊车梁腐蚀较重，无法满足吊车吨位加大的要求，为此本厂房选取“加大构件截面法”并且采用同种材料加固柱子和吊车梁。
（3）依据现行的规范，对加固后的排架柱首先采用 PKPM 程序受力验算，其次通过 SAP2000 程序对结构进行模态分析，得到有关结构的基本性能参数。运用这些参数可判断结构加固的合理性。
（4）为了更明显的观察到吊车梁的应力分布和变形位移情况，运用有限元程序 SAP2000 及其中的桥梁模块，实现吊车移动竖向静荷载的施加，依据计算云图判断加固后的吊车梁是安全的、可靠的。
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参考文献(略)
