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王元清1 宗 亮2 施 刚1 石永久1
(1.土木工程安全与耐久教育部重点实验室， 清华大学土木工程系，北京 100084；2.天津大学建筑工程学院， 天津 300354)
摘 要：由于CECS 77∶96《钢结构加固技术规范》多年未经修订，从技术层面和执行效力层面已无法适应我国钢结构快速发展、隐患较多的现状，因此自2013年起启动编制国家标准《钢结构加固设计规范》。为此，全面归纳了包括粘贴钢板加固法、粘贴纤维增强复合材料加固法、组合加固法等在内的多种钢结构加固新技术，并简要阐述了其应用研究现状。结合新版国家标准编制的需要，提出了各种新技术纳入规范时的关键技术问题和可能的解决思路，为该技术标准编制工作提供参考。
关键词：国家标准； 钢结构； 加固； 设计规范； 新技术
钢结构具有材料强度高、质量轻、塑性及韧性好、抗震性能好、工业装配化程度高、造型美观、综合社会经济效益显著的优点。近年来，随着钢铁产量的提高、钢材材性的不断改进、钢结构设计理论的发展进步和对于大跨、高层、超高层建筑需求的增加，钢结构的发展和应用突飞猛进。然而，伴随着钢结构建筑数量的增长，钢结构建筑的许多安全问题也逐渐暴露出来，尤其是近年来，钢结构安全事故频发，给人民生命财产安全造成了巨大的损失。在积累诸多经验教训的同时，亟需对存在安全隐患的既有钢结构进行加固，以规避钢结构事故的发生。
中国工程建设标准化协会于1996年颁布了CECS 77∶96《钢结构加固技术规范》[1]，规定了钢结构加固原则和传统的钢结构方法，然而，CECS 77∶96多年未经修订，从技术层面和执行效力层面都无法适应我国钢结构快速发展、隐患较多的现状。在技术层面上，未包含近年来已获得广泛应用的钢结构加固新方法；在效力层面上，由于原标准属于协会层级，未与地方法律法规绑定，约束力不足。因此，四川建筑科学研究院和清华大学联合多家单位，自2013年起启动编制国家标准《钢结构加固设计规范》。新标准将在GB 50017—2003《钢结构设计规范》设计体系的基础上，以CECS 77∶96为原型，整合国内外钢结构加固领域新的研究理论和技术方法，吸取国内外钢结构事故的经验教训，明确钢结构的易损细节，给出钢结构关键构件和节点的加固设计方法，阐明各加固技术方法的适用范围，并对加固后钢结构的承载性能给出验算方法，同时紧密结合我国《钢结构设计规范》的修订工作。作为国家标准《钢结构加固设计规范》的编制组成员，作者将结合钢结构加固领域的最新进展，对钢结构加固新技术及其应用研究要点进行简要的梳理与总结。
1.1 增大截面焊接加固法
增大截面法是一种基本的加固方法，而其中通过焊接方式增大截面是钢结构加固中最传统也是最直接的选择。尤其是在承载条件下，由于焊接加固施工的便捷性和可靠性，往往成为钢结构加固的首选方案。CECS 77∶96对焊接加固钢结构构件的设计方法进行了较为详细的说明，此外，行业标准YB 9257—96《钢结构检测评定及加固技术规程》也收录了焊接加固钢结构设计方法的相关条文。长期以来，承载条件下焊接加固钢结构工作是按照上述两本标准进行的，但由于缺乏充分的试验基础和数值分析，两本标准在应力比限值及相关参数的取值上存在差异，计算式主要沿用苏联标准，存在着诸多不合理之处，难以保证焊接加固过程的安全性和加固后构件的适用性；国内外虽有一些相关研究[2-6]，但均未落实到量化的标准条文和设计方法。基于此，国标《钢结构加固设计规范》编制组开展了承载条件下焊接加固钢结构构件承载性能的研究工作，对轴心受压构件[7]、受弯构件[8]、偏心受压构件[9]经焊接加固后的力学性能进行了大量的试验研究(图1a、图1b)和数值分析(图1c)，细致考察了焊接加固过程中构件的应力重分布、变形发展历程以及加固后的残余变形、破坏模式和承载能力，分析了初始负载水平、初始几何缺陷、焊接残余应力等对构件承载性能的影响规律，为国标《钢结构加固设计规范》的编制提供了基础数据和理论支持。结合现有的研究进展，虽然增大截面焊接加固法并非新加固技术，但其具体应用将包含新的技术要点。
a—受弯构件焊接加固试验； b—压弯构件焊接加固试验; c—考虑焊接过程的加固构件数值模拟流程。图1 焊接加固钢构件的试验研究与数值分析Fig.1 Experimental study and numerical analysis of welded strengthened steel members
1.2 粘贴钢板加固法
粘贴钢板加固法又称粘钢加固技术，是在钢结构表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，依靠结构胶使之黏结形成整体共同工作，以提高结构承载力的一种加固方法[10]，属于一类特殊的增大截面加固法(图2)。该技术施工过程中不使用明火，不影响结构外形，所要求工作面小。目前，国内部分学者对粘钢加固技术从试验研究、理论分析和数值模拟等角度开展了研究。卢亦焱等进行了11根圆形截面薄壁钢管粘钢加固试验[11]，发现无论在线弹性阶段还是非弹性阶段，外粘钢板与薄壁钢管能很好地协调工作；同时认为薄壁钢管外粘钢后，其结构形式由原来的单层壳变为由内管-胶层-外粘钢组成的组合结构[12]，从而应用三层轻夹芯壳理论计算了粘钢后截面的等效刚度。隋炳强等开展了粘钢法全长加固钢管柱极限承载力研究，提出了粘钢加固轴压杆的计算方法[13]。这些研究成果为粘钢加固的推广应用提供了有效参考。但是，由于加固件与被加固件连接界面的受力复杂，易发生层间开裂，且加固效果很大程度上取决于结构胶层能否长期正常发挥作用，该类加固方法在一定程度上受到了工程界的质疑。因此，如何在国标《钢结构加固设计规范》中合理地纳入粘钢加固法、保证其在实际工程中应用的安全性，应成为重点研究的问题。基于目前的研究成果，有两点认识需在国标《钢结构加固设计规范》编制时予以考虑：一是由于利用薄钢板进行粘钢加固的可靠性相对较高，宜对加固板件的厚度进行限制；二是应借鉴传统增大截面加固法的设计思路，通过对粘钢加固法赋予合理的强度折减系数进行加固后的截面设计。
图2 粘贴钢板或FRP板加固Fig.2 Reinforcing scheme with bonding steel plates or FRP plates
1.3 粘贴纤维增强复合材料加固法
纤维增强复合材料(FRP)具有优异的物理、力学性能，如比强度和比刚度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性能好、现场可操作性强、施工周期短、不损伤原结构等，目前已广泛用于混凝土结构和砌体结构的加固之中[15]，其中常用的FRP有三种，即碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。对于FRP加固钢结构，国内外研究起步较晚，案例较少，主要案例多为输电塔钢结构的抗屈曲加固。由于钢结构的强度和刚度高，因此采用强度和弹性模量相对较高的CFRP较为合适，而且除对钢管柱采用FRP布进行环向加固之外，宜采用板材对钢构件进行加固(图2)。
迄今为止，国内外学者对FRP加固钢结构已开展了大量研究工作。其中，国外的研究主要集中于改善受弯构件承载性能及疲劳加固方面[16-18]；在国内，以国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心等为代表的科研机构，针对FRP加固受弯构件和受拉构件进行了较为系统的试验研究[19-20]，近年来又开展了大量FRP抗屈曲加固钢构件的研究工作[21]。对于FRP加固钢结构，需要着重关注FRP和钢结构之间的黏结性能，国内外学者对多种结构胶黏结的盖板搭接节点进行了试验研究，并对钢与FRP界面的受力机制进行了研究，得到了碳纤维布拉伸应变、黏结剪应力和有效黏结长度的计算公式[19]。合肥工业大学完海鹰等还开展了CFRP布加固圆钢管和方钢管柱的静力试验和数值分析(图3)，为钢管构件的FRP加固设计提供了参考。这些研究成果将为国标《钢结构加固设计规范》的编制提供科学支撑，以获得加固后截面的强度折减系数。此外，针对胶层对应力集中效应和温度的敏感性，应注意对FRP板端等应力集中位置采取合理的构造措施，并控制加固构件的服役环境温度不宜过高。
图3 粘贴FRP板加固方钢管柱试验Fig.3 Test of the rectangular columns strengthened by FRP plates
1.4 组合加固法
a—内填混凝土加固; b—外包混凝土加固； c—钢管内填混凝土加固试验研究； d—负载下外包混凝土加固钢柱试验研究。图4 组合加固法Fig.4 Composite reinforcement method
近年来，组合加固法在我国得到了较快的发展和应用，其中，利用组合结构的原理对混凝土结构进行加固的方法已经成功应用于许多实际工程之中，尤其在一些桥梁工程中十分常见，清华大学聂建国等对这种组合加固形式的原理和方法进行了较充分的研究[22]。相比之下，利用组合结构的原理和方法对钢结构进行加固相对较少，但是从原理上而言完全可行。目前用于钢结构的组合加固法主要包括两种：内填混凝土加固法(图4a)和外包混凝土加固法(图4b)。内填混凝土加固法主要用于钢管构件，通常宜采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的荷载，但是在许多情况下初始荷载难以卸除，此时考虑初应力水平对加固构件承载力的影响。武汉大学杜新喜等开展了一批内填混凝土加固偏压钢管构件的试验研究(图4c)，为提出相应的设计方法提供了丰富的数据支持。采用外包混凝土加固法时，往往是由于钢构件承受荷载的水平较高，其他增大截面法已不适用。由于原构件承受较高的荷载水平，外包混凝土相对于原钢构件而言存在应力滞后现象，导致加固后构件与普通的劲性混凝土柱的受力性能存在差异，因此考虑高承载水平的加固后截面承载力设计方法需要重点研究。清华大学王元清等开展了负载下外包混凝土加固钢构件的试验研究和数值分析工作[23](图4d)，考察了初应力水平对加固后构件承载能力的影响，为新国标《钢结构加固设计规范》的编制提供了一定的数据基础。为便于设计人员使用，两种组合加固法仍宜采用强度折减系数的概念，基于已有研究成果，建立强度折减系数与初应力水平的量化关系，从而对加固后截面的承载能力进行折减。
1.5 预应力加固法
钢结构预应力加固法是采用加预应力钢绞线对钢结构整体或构件进行加固的方法，特点是通过施加预应力改变原钢结构内力分布并降低原钢结构应力水平，后加部分与原结构能较好地共同工作，钢结构的总体承载能力可显著提高。预应力加固法对原有钢结构具有加固、改变原结构刚度和改变原有结构内力的三重效果，适用于较大跨度的钢结构加固，以及采用一般方法无法加固或加固效果不理想的较高应力、应变状态下的大型钢结构加固，同时还具有施工方便、经济可靠，预应力筋(束)可以单独防腐甚至可以更换等特点。
对于钢结构构件，预应力加固目前主要应用于梁式结构[24](包括实腹式梁和桁架梁等)。加固后使得原梁式构件成为类张弦梁构件，有效地防止梁面外失稳的发生。对于柱构件，同样可以采用增设撑杆和拉索的方式进行加固，减小柱计算长度，提高刚度和稳定性，但相比于梁构件而言，预应力构件在柱构件中的应用较少。新国标《钢结构加固设计规范》编制时应注意收录常见的构件预应力加固方案(部分方案见图5)，并给出相应的设计方法。
a—预应力钢索加撑杆加固法； b—梁(桁架)预应力钢索加固法； c—梁(桁架)预应力拉杆吊挂加固法。图5 钢构件典型预应力加固方案示意Fig.5 Typical strengthening scheme for steel members by applying prestressing tendon
对于整体结构，预应力加固主要应用于刚度和稳定性存在问题的单跨刚架、拱架及某些桥跨结构，通过改变结构计算图形或者改善结构边界条件的方式，提高结构的刚度和稳定性[25]。规范编制时同样应注意全面收录整体结构预应力加固方案(部分方案如图6所示)，并对相关的加固验算内容作出规定。
a—预应力钢索加固法； b—预应力钢索+撑杆加固法； c—预应力钢索斜拉加固法； d—预应力悬索吊挂加固法； e—空间网络结构预应力钢索加固法。 1—塔架； 2—索； 3—原结构。图6 整体结构预应力加固方案示意Fig.6 Typical strengthening scheme for overall steel structures by applying prestressing tendon
此外，预应力加固法在施工过程中的关键技术问题，包括预应力筋张拉程度、在典型钢结构构件和节点中的锚固方式等，宜在新版新国标《钢结构加固设计规范》中予以说明。
1.6 连接和节点的加固
1.6.1 栓焊并用连接节点加固
栓焊并用连接是指在一个连接节点中，摩擦型高强度螺栓连接和贴角焊缝并用连接，且承受同一剪切荷载作用。栓焊并用连接能很好地发挥螺栓连接和焊接两种连接方式的优点，在实际工程中能够得到广泛的应用。在采用螺栓连接设计不足或是使用荷载增大等情况下，可以采用栓焊并用连接进行节点加固补强。然而，由于两种连接形式的刚度差异较大，荷载传递与分配规律复杂，因此在原CECS 77∶96中对栓焊并用连接节点加固的应用作出了严格限制。近年来，清华大学、河北建工学院、中冶建筑研究总院等高校和科研机构的学者对栓焊并用连接开展了原型试验[26-27]、数值分析和理论推导研究，得到了栓焊并用连接节点的破坏模式和荷载分配规律，提出了相关设计方法，并被收录至JGJ 82—2011《钢结构高强度螺栓连接技术规程》[28]，栓焊并用连接的受剪承载力应分别按照下列算式[28]计算。
高强度螺栓与侧焊缝并用连接：
(1a)
高强度螺栓与侧焊缝及端焊缝并用连接：
(1b)
式中：Nwb为栓焊并用连接抗剪承载力设计值；Nfs为侧焊缝抗剪承载力设计值；Nfe为端焊缝抗剪承载力设计值；Nbv为摩擦型高强度螺栓抗滑移承载力设计值。
上述公式明确了栓焊并用连接的承载力计算方法，但是由于栓焊强度比的变化，原有螺栓连接和新增焊接的荷载分配与传递以及相应的强度折减系数将发生变化，在新版国标《钢结构加固设计规范》编制时应予以进一步考虑。
1.6.2 承受荷载下焊接加固梁柱节点与端板连接节点
相比于钢结构构件的加固，节点的加固更为重要且控制难度更大。在实际工程中，许多钢结构节点都存在加固的必要且不能卸载。近年来，在梁柱节点方面，杨文等对焊接盖板加固梁柱节点开展了一系列卓有成效的研究，建立了精细的有限元模型并进行了数值模拟[29]，提出了盖板加固梁柱节点的简化力学模型[30]，基于此给出了梁柱连接节点负载下盖板加固设计方法[31]。随后，曹辉等开展了负载下焊接盖板加固梁柱节点的试验研究[32](图7)，为设计方法的验证提供了数据支持。但是，杨文等提出的设计方法验算流程较为复杂，不便于被工程设计人员直接使用，宜根据对加固后节点进行强度折减的思路简化设计方法[29]。在端板连接节点方面，罗睿奇等开展了负载下焊接加固端板连接节点的试验研究(图8)和有限元分析工作[33]，并据此建立了设计基本原则：当螺栓承担的荷载大于其设计承载力的65%时，不应考虑原螺栓的承载作用，而应按焊缝承担全部荷载进行验算；当螺栓承担的荷载小于其设计承载力的65%时，允许原螺栓与新增焊缝共同受力，但应对螺栓承载力设计值进行折减。
图7 负载下焊接盖板加固梁柱节点试验研究Fig.7 Test of beam-column joints strengthened by welding cover plates under preload
图8 负载下焊接加固端板连接节点试验Fig.8 Test of end-plate connections strengthened by welding under preload
1.7 含裂纹构件的安全评定
在钢结构设计中，规定钢结构不能带裂纹工作。对于既有钢结构，可能已经出现裂纹，这时是否应该对其加固值得研究，断裂力学和损伤力学为含裂纹构件的安全评定提供了有效的解决途径。对于特别重要或特殊的结构构件和连接节点(如板厚大于50 mm的厚板或超厚板构件和节点、承受较大冲击荷载的构件和节点、低温和疲劳共同作用的构件和节点、强腐蚀或强辐射环境中的构件和节点等)，可采用断裂力学和损伤力学的方法对结构构件和连接节点进行抗脆断评估[33-36]。具体步骤如下：
1)根据既有钢结构构件和连接的疲劳类别，以及结构构件的受力特征和应力状态，确定存在脆性断裂危险的构件和连接节点；根据疲劳类别的细节、质量验收要求等，假定构件和连接中可能存在的初始缺陷的位置、形状和尺寸。
2)选取断裂力学参数和断裂判据，如线弹性条件下的应力强度因子K判据，弹塑性条件下的围道积分J判据、裂纹尖端张开位移判据等；对含缺陷的结构构件或连接节点进行断裂力学计算，得到现有应力水平下的裂纹尖端断裂参量KI、JI或裂纹尖端张开位移。
3)确定现有条件(温度、板厚、焊接等)下，构件和连接节点材料的断裂韧性，如平面应变断裂韧度KIC、延性断裂韧度JIC和裂纹尖端张开位移特征值等。
4)选取合理的断裂判据，对断裂力学计算得到的既有应力水平下的断裂参量和现有条件下的材料断裂韧性进行比较，从而完成抗断评估。
基于抗断评估结果，可确定构件是否需要加固。这一思路适用于解决个别工程实例，应在新版规范中对安全评定流程进行说明，以规范相关的技术咨询工作，同时，应进一步开展相关研究工作，力求通过规范，以更为简单且有效的方式完成抗断评估。
1)总结了近年来钢结构加固领域的最新技术方法，每种方法在一定条件下能发挥出各自独有的优势，但是由于研究不全面、规定不细致、使用不规范等原因，造成许多加固方法的盲目使用，不能达到预期的效果。有鉴于此，给出了各种新技术纳入国家标准《钢结构加固设计规范》时的关键技术问题和可能的解决思路，以期在新版规范中明确各种加固方法的适用范围，促进设计人员科学合理地选用加固方法，保证每种加固技术在合理的空间内发挥最大效用，从而规避事故，保障我国钢结构建筑的安全耐久。
2)加固方案的落实需要可靠的施工方案，国家标准《钢结构加固设计规范》作为一本设计标准，难以涵盖钢结构加固施工工程的具体要求。由四川省建筑科学研究院为主编单位，启动了行业标准《建筑结构加固工程施工规程》的编制工作，其中将对钢结构加固各技术的施工要点作详细规定。
3)建筑标准编制与修订工作需要与时俱进，国标《钢结构加固设计规范》的编制虽然吸纳了许多新的加固技术，但在学术界和工程界的共同努力下，将不断有新型、高效的加固新技术产生，因而需要及时开展系统研究、及时梳理总结，以实现对标准的及时修订，从“规范编制落后于工程应用”逐步转为“标准编制适当超前于工程应用”。
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APPLICATION RESEARCH ON NEW STRENGTHENING TECHNOLOGIES FOR STEEL STRUCTURES
Wang Yuanqing1 Zong Liang2 Shi Gang1 Shi Yongjiu1
Abstract：As the associational standard,Technical Specification for Strengthening Steel Structures (CECS 77∶96) has been used for many years without amendments, the standard cannot meet the demand of the current situation that construction of steel structures has achieved rapid developments with notable potential accidents. This is why the national standard Code for Design of Strengthening Steel Structure was started to be compiled since 2013. In this paper, the new strengthening techniques for steel structures, including strengthening steel members with bonded steel plates, bonded FRP plates and reinforced concrete materials, etc., were summarized and illustrated with corresponding application research achievements.
Keywords：national standard; steel structures; strengthen; design code; new technique
*《钢结构加固设计规范》国家标准管理组科研专项课题(2013-01)。