钢结构加固方法与连接的可靠性分析

赵 凯

近几年建筑钢结构扩大应用范围的趋势明显。对从事钢结构工程技术人员的需求增加,对提高钢结构理论研究、技术开发以及设计制造、安装、检测的技术手段与工艺水平的要求也很迫切,国内建筑钢结构行业面临发展新机遇。

1 钢结构的连接方式

焊接连接是现代钢结构中最主要的连接方式,它的优点是任何形状的结构都可用焊缝连接,构造简单。焊接连接一般不需拼接材料,省钢省工,而且能实现自动化操作,生产效率较高。

铆钉连接是早期钢结构采用的连接方式,现在基本被螺栓连接所替代。铆接需要先在构件上开孔,用加热的铆钉进行铆合,有时也可用常温的铆钉进行铆合,但需要较大的铆合力。铆钉连接由于费钢费工,现在很少采用。

螺栓连接采用的螺栓有普通螺栓和高强度螺栓之分。普通螺栓的优点是装卸便利,不需特殊设备。普通螺栓分C级螺栓和A,B级螺栓。高强度螺栓是用强度较高的钢材制作,安装时通过特制的扳手,以较大的扭矩上紧螺帽,使螺杆产生很大的预应力。

2 焊接的加固方法与计算理论

2.1 加固方法

钢结构加固一般宜采用焊接连接的加固,由于焊接连接方法简单,设备简易,作业条件容易达到,施工进度快而被广泛采用。但是,对加固熟铁、锻铁块的结构就不能用焊接加固。

焊接连接加固的方法:可采用增加焊缝长度,提高焊缝有效厚度,或者两者同时增加的方法,当上述方法不能满足加固要求时,可采用附加连接板实施加固。附加连接板可用角焊缝与基本构件相连,也可用附加连接板与原节点板对接,但都需进行连接的受力分析,并保证连接能够承受各种可能的作用力,确保连接安全可靠。

GBJ 68-84建筑结构设计统一标准颁布以后,各本结构设计规范都据此进行了修订。但钢结构连接由于试验及统计资料不足仍按允许应力法进行设计。为了统一,将其折算为概率极限状态设计方法的设计表达式。因此有必要对钢结构连接按概率极限状态设计方法原理进行分析。

2.2 可靠性计算理论

运用一次二阶矩法求可靠指标β,结构设计中必须考虑的各基本因素是非确定性的,称其为基本随机变量,记为 xi。

结构极限状态方程为:g(xi)=0,其中 xi=[x1,x2,…,xn]T,引入标准化变量后得下式:

由目标β值确定抗力分项系数λR。

设Rk是由设计表达式求出的抗力的标准值,R*k是按概率极限状态设计预期可靠指标下求出的抗力。对角焊缝连接,当Rk=R*k时,按设计表达式设计的可靠指标与预期的可靠指标相等。

确定抗力分

项系数时,就是要在给定荷载分项系数λG,λQ条件下使下面的误差平方和为最小,按前述一次二阶矩法迭代计算求得 Rkj可进一步求出抗力分项系数λR。

焊缝的不定性取决于焊缝强度、几何尺寸和计算模式的变异。角焊缝极限强度及其不定性 Ωf。焊缝强度与焊条金属强度、焊缝质量以及荷载作用方向有关。按荷载作用方向可将角焊缝分为侧面角焊缝和正面角焊缝。根据试验资料,角焊缝极限强度如沈阳建筑大学实验所得:80个侧焊缝平均值410 N/mm2,变异系数0.111,正面角焊缝20个平均值558 N/mm2,变异系数0.093。

根据TJ 17-74钢结构设计规范,正面角焊缝的安全系数比侧面角焊缝的安全系数要高得多。在考虑角焊缝极限强度的统计参数时,焊缝质量对强度的影响不应忽视。试验条件、试件制作与现场条件是不同的。因此应考虑它们的影响。

3 螺栓连接的加固方法与计算方法理论

3.1 加固方法

在选用螺栓连接加固时,应优先采用高强度螺栓,因其施工工艺与一般的螺栓相近,但连接性能尤其是承受动荷载的性能明显优于普通螺栓连接,对直接承受动载的结构,规范规定必须采用摩擦型的高强度螺栓连接,因为其在合适的扭拧工具配合下,使其足以保持稳定的预拉力值,连接处通过摩擦面的传力方式的承载能力是稳定可靠的。连接接头位移刚度好,产生滑移后,螺栓进入承压状态,安全可靠。

在操作时必须根据其工作特性,保证接触质量,孔洞附近钢材表面必须清理干净,螺栓直径应比原孔洞小1 mm～3 mm。当计算承载力不足时,可采取扩孔措施,改用直径大一级的螺栓。

当构件截面补强采用螺栓连接时,新旧两部分截面可以共同工作,进行计算确定螺栓数量。由于增加的螺栓或扩孔后应该核净截面强度。加固方法甚多,究竟取用何种方法实施加固,应视加固件的工作条件而定,经过方案分析比较采用经济、合理、牢固为宜。

3.2 螺栓的可靠性理论

可靠指标β的计算,一般设计表达式(简单组合时)为:Rfk≥K(SGK+SQK)。

其中,K为安全系数,对Q235钢和Q345钢分别取1.41和1.45;SGK与SQK分别为永久荷载和某一活荷载的标准值效应。

荷载效应比值按常见值考虑,即取p=SGK/SQK=0.25,0.5,1.0,2.0分别按一次。

二阶矩法计算相应的可靠指标,计算结果与TJ 17-74钢结构设计规范关于高强度螺栓连接的总体可靠度指标β对比发现,螺栓连接的总体可靠指标β在4.5～5.0之间不低于规范的最高值4.2,所以研究表明不同的连接形式,不同的材料可靠度是有一定的出入。

3.3 混合连接中的加固

混合连接是指同一构件的连接使用了两种不同的连接方式,如螺栓和铆钉、焊缝与螺栓、焊缝与铆钉等。在混合连接中,应以焊缝承受全部作用力进行计算,而在焊缝高强度螺栓混合连接时,两种连接的承载力比值在1～1.5范围内,二者的荷载变形情况基本接近,可以共同工作,若比值超出上述范围,荷载将由强的连接承担,另一连接起不到分担作用。当计算使用高强度螺栓承载力时,根据试验结果预拉力为焊前的90%～95%,所以要乘以0.9的平均折减系数。

4 结语

基于概率理论的极限状态设计方法,是目前世界大多数国家已经采用或趋于采用的设计方法。工程结构设计时的可靠度是工程设计预期目标的衡量尺度。在充分取得有关新信息基础上应该适当对有关规定作局部修订来顺应其客观发展规律,而且要恰当地把握工程结构可靠度的相对一致性,既要维护结构安全又要考虑其经济性。在抗力函数中采用局部多抗力系数或单系数多值方案。

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