摘要：在石油化工行业中，大多数的生产装置都采用钢结构来承重。由于设计或施工中造成钢结构缺陷、使用期间出现不同程度的锈蚀、磨损而造成截面削弱，更主要因为生产装置能力的扩大、生产工艺的改进使得荷载大小、分布方式发生重大改变，要求对现有的钢结构进行加固设计。同时，又有场地限制、装置不能停工等诸多因素的限制，使加固设计更是难上加难。由于该部分内容在工程中常见，而又很少被人提及，很多设计人员在处理此类问题时感觉无从下手。本人通过十多年设计经验，提出一些加固计算及常用的设计做法，在此共同探究。
关键词：钢结构，加固，计算简图，支撑，型钢组合柱
在石油化工行业的改扩建中，经常遇到为节省投资和时间，在考察论证后而重新利用结构还比较完好、经过处理加固可以继续使用的原有旧钢结构的设计项目。但由于这些旧钢结构使用的年份都可能比较长、锈蚀损坏的程度也比较严重、原有钢材的化学成分及力学性能也不清楚、而且都是带着荷载进行施工的，所以其设计施工难度较大、技术要求较高、危险性也比较大，因此必须要掌握一系列实用可行的加固方案及施工措施。
一、钢结构加固原因
在加固钢结构之前，有必要分析钢结构需加固补强的主要原因，然后有针对性地进行加固。常见的钢结构加固补强的原因主要有：
（1）由于设计或施工中造成钢结构缺陷，如焊缝长度不足，杆件切口过长，使截面削弱过多等等。
（2）结构经长期使用，出现不同程度的锈蚀、磨损以及操作不正常等，造成结构缺陷，使结构构件截面严重削弱。
（3）由于地基基础下沉，引起结构的变形和损伤。
（4）使用的钢材质量不符合要求。
（5）意外、自然灾害对结构损伤严重。
（6）在现实工程中最常见的是工艺生产条件变化，使结构上荷载增加，原有结构不能适应。
二、钢结构加固原则
结构或构件加固是一项复杂的系统工作，要考虑的因素很多。加固方法应从施工方便、不影响生产、经济合理、效果好等方面来选择，一般原则如下：
（1）加固应尽可能做到不停产或少停产，因停产的损失往往是加固费用的几倍或几十倍。能否在负荷下不停产加固，取决于结构的应力应变状态。一般构件的内应力小于钢材设计强度的80%，且构件损坏变形等不是太严重时，可采用负荷不停产加固方法。
（2）结构加固方案要便于制作、施工，便于检查。
（3）结构制造组装应尽量在生产区外进行。
（4）连接加固应尽可能采用高强螺栓或焊接。
采用高强螺栓加固时，应验算钻孔截面削弱后的承载能力；采用焊接加固时，实际荷载产生的原有杆件应力最好在钢材设计强度60%以下，最大不得超过80%，否则应采取相应的措施才能施焊。
三、钢结构加固方法
（一）、加固方法概述
钢结构加固的主要方法有：减轻荷载、改变计算简图、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。当有成熟经验时，也可采用其他的加固方法。经鉴定需要加固的钢结构，根据损害范围一般分为局部加固和全面加固。局部加固是对某承载能力不足的杆件或连接节点处进行加固，有增加杆件截面法、减小杆件自由长度法和连接节点加固法。全面加固是对整体结构进行加固，有不改变结构静力计算简图加固法和改变结构静力计算简图加固法两类。增加或加强支承体系，也是对结构体系加固的有效方法。增加原有构件截面的加固方法是最费料最费工的方法，但往往是最可行的方法；改变计算简图的方法可能最有效且多种多样，其费用也大大下降。
加固结构的方法有：负荷加固、卸荷加固和从原结构上拆下加固或更新的部件进行加固。加固方法应根据用户要求和结构实际受力状态，在确保质量和安全的前提下，由设计人员和施工单位协商确定。
（1）带负荷加固。施工最方便，也较经济,但风险较大。是用于构件（或连接）的应力小于钢材设计强度的80%时，或构件无甚大损坏（破损、变形、翘曲等）的情况下。此时为了使新加固杆件参与受力，有时需要对被加固杆件采取临时卸荷的措施。另外，在加固时应注意不影响其他构件的正常使用。
（2）卸荷加固。适用于结构损坏较大或构件和连接的应力状态很高，需要暂时减轻其负荷时。对某些主要承受可动荷载的结构（如吊车梁等），可限制其可动荷载，即相当于大部分卸荷。
（3）从原结构上拆下加固或更新的部件。当结构破坏严重或原截面承载力过小，必须在地面进行加固或更新时采用。此时必须设置临时支撑，使被换构件完全卸荷；同时，必须保证被换结构卸下后整个结构的安全。
确定加固方案前，应搜集下列资料：
（1）原有结构的竣工图（包括更改图）及验收记录。
（2）原有钢材材质报告复印件或现场材质检验报告。
（3）原有结构构件制作、安装验收记录。
（4）原有结构设计计算书。
（5）结构或构件破损情况检查报告。
（6）现有实际荷载和加固后新增加荷载的数据。
（二）、改变结构计算简图加固法
改变结构计算简图加固法是指采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质和边界条件，增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等措施对结构进行加固的方法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆改变结构计算简图的加固过程，除应对被加固结构承载能力和正常使用极限状态进行计算外，尚应注意对相关结构构件承载能力和使用功能的影响，考虑在结构、构件、节点以及支座中的内力重分布，对结构（包括基础）进行必要的补充验算，并采用切实可行的合理构造措施。采用改变结构计算简图的加固方法，设计与施工应紧密配合，未经设计允许，不得擅自修改设计规定的施工方法和程序。采用调整内力的方法加固结构时，应在加固设计中规定调整内力（应力）或规定位移（应变）的数值和允许偏差及检测位置和检验方法。
改变结构计算简图加固法通常采用的具体措施如下：
1、 增加结构或构件的刚度
（1）增加支撑以加强结构空间刚度，采用按空间结构进行验算，挖掘结构潜力。
（2）加设支撑以增加刚度，或调整结构的自振频率，以提高结构的抗震性能。
（3）增设支撑或辅助杆件，以减少构件的长细比，提高构件的稳定性。
（4）重点加强某一构件的刚度，以承受更多的内力，从而减轻其他构件的内力。
（5）在塔架结构中，设置拉杆以加强结构的刚度，减少挠度 。
（6）在场地空间受限制时，可变支柱为吊杆。
2、 改变构件的截面内力，应注意内力的重新分布
（1）变更荷重的分布情况。如将一个集中荷重分为几个集中荷重。
（2）变更端部的连接。如将铰接变为刚接。
（3）增加中间支座或将简支结构端部连接使之成为连续结构。
（4）调整连续结构的支座位置。
（5）将构件变为撑杆式构架。
（6）施加预应力。
（三）、加大构件截面加固法
采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑有缺陷和损伤的状况。加固构件受力分析计算简图，应反映结构的实际条件，考虑损伤及加固引起的不利变形、加固期间及前后作用在结构上的荷载及其不利组合，对于超静定结构尚应考虑因截面加大、构件刚度改变使体系内力重分布的可能，必要时应分阶段进行受力分析和计算。采用该方法应注意的事项如下：
（1）注意加固时的净空限制，使新加固的构件不得与其他杆件相冲突。
（2）加固设计应适应原有构件的几何状态，以利施工。
（3）应尽量减少施工工作量。当原有结构钢材的可焊性较好时，根据具体情况尽量考虑用焊接加固，并应尽量减少焊接工作量，以减少焊接应力的影响，避免焊接变形。还应避免仰焊。
（4）加固应尽量使被加固构件截面的形心轴位置不变，以减少偏心所产生的弯矩。当偏心值超过规定时，在复核加固截面时，应考虑偏心的影响。
（5）加固后的截面在构造上要考虑防腐的要求，避免形成易于积灰的坑槽而引起锈蚀。
四、钢构件的具体加固技术
1、钢柱的加固
钢柱通常为轴压构件或压弯构件，结合其受力特点，应采用以下加固方法。
（1）补强柱的截面。一般补强柱截面用钢板或型钢，采用焊接或高强螺栓与原柱连接成一个整体。
（2）增设支撑。增设支撑以减小柱自由长度，提高承载能力。在截面尺寸不变的情况下提高了柱的稳定性。
（3）改变计算简图，减小柱外荷载或内力。
（4）在钢柱四周外包钢筋混凝土进行加固，按型钢组合柱计算，可明显提高承载能力。
2、 柱脚加固法
（1）柱脚底板厚度不足加固方法
a.增设柱脚加劲肋，以达到减小底板计算弯矩的目的。
b.在柱脚型钢间浇筑混凝土，使柱脚底板成为刚性块体。为增加粘结力，柱脚表面油漆和锈蚀要清除干净。
（2）柱脚锚固不足加固方法
增设附加锚栓。当混凝土基础较宽大时采用。在混凝土基础上钻出孔洞，插入附加锚栓，采用化学注浆或高强灌浆料锚固。将整个柱脚包以钢筋混凝土。新配钢筋要伸入基础内，与基础内原钢筋焊牢。
3、柱加固承载力验算法
负荷状态下加固计算，重要的问题是考虑加固后应力能否重分配，即加固后原有截面能否将原有应力分配到新补强的构件截面上去，如能重分配，新老荷载之和，可以平均分配给新老截面上，否则原有荷载仍由原截面承担，新增加荷载由新老截面（即加固后总截面）平均分担。当在动载结构情况下，塑性区很难形成，不考虑应力重分配，计算时将加固前和加固后的情况分别计算，然后求其总和。在卸荷情况下加固，就不存在上述问题。
卸荷状态下，截面验算按加固后总截面，并考虑加固折减系数，按现行规范计算，即按负荷状态下加固截面作用静力荷载的验算公式计算，杆架杆件、梁也是如此。
五、结束语
钢结构加固课题已逐渐为理论研究人员和工程设计人员所重视，随着科学理论的新突破和建筑新材料的研制开发，通过迅速发展的计算机技术编制出准确性更好的模拟分析程序，也不再拘泥于以前单一的基于传统理论的设计理念。在这样的环境中，钢结构加固设计思路也应该在完善自身不足的同时，不断向前发展。
参考文献:
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[6] 陈远春.建筑钢结构工程设计施工实例与图集.金版电子出版公司,2003.
论文作者:张利银
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/1
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