简析钢结构建筑的设计与加固措施

简析钢结构建筑的设计与加固措施

摘要：本文主要分析了钢结构建筑的设计、钢结构加固的原理及钢结构加固的措施，以供读者参考。

关键词：钢结构；设计；加固

1、钢结构建筑的特点

1.1 预工程化程度高，建设成本低、缩短工期与传统的砖混、混凝土材质结构等建筑不同，钢结构建筑具有一定的预工程化，使得材料的加工和安装一体化，大部分钢结构在出厂时已生产完毕，在施工现场只需要利用合适的连接方式将钢结构进行组合安装，提高了施工速度，缩短了大约40%的建筑工程施工周期，可以使建筑工程更早投入使用。

1.2 钢结构建筑的跨度更大，高度更高

钢材的内部组织比较均匀，近似于各向同性的匀质体，结构总体自重轻，强度也高。钢材的密度/强度的值比砖石、混凝土、木材均小很多，这样在受力相同的情况下，钢结构可以做成跨度更大、高度更高、结构形式更加灵活的结构体系。到目前为止，世界上已经拥有建造跨度超过1000m的超大穹顶和高度大于1000m小于4000m的超高层建筑的能力。

1.3 钢结构建筑更具有功能化、更加美观

在钢结构建筑中，结构的形体、构件和节点在一定程度上决定了建筑的形象。建筑结构的设计与功能需要实现一体化，这样建造出来的建筑才更具有功能化，才能创造出艺术与技术并存的建筑。钢结构建筑可以挣脱结构的约束，斜线、曲线在钢结构建筑造型中的应用创造出更多新奇、优美的建筑形象。

2、钢结构建筑的设计

2.1 钢结构建筑整体与局部精细设计

建筑的设计不仅仅在于外观上的美感，还在于建筑间的相互协调的能力。钢结构建筑作为建筑结构形式中的一种，它在具有钢结构建筑特殊性的同时也具有普通建筑的一般性。所以在满足钢结构特殊性设计的同时，也必须满足一般建筑的共性设计。由于钢结构的特殊性，通常在建造钢结构建筑的时候，会导致部分

细节部位出现偏差或者裸露在外。故而在设计钢结构建筑的时候，在力求建筑形象和建筑功能的完美结合的同时，设计复杂化和工程精细化的要求也更加严苛。有的时候为了体现钢结构建筑独特的金属感，而将其部位、部件裸露在外，这样会则会增加建筑的设计难度及其复杂程度。因此在对钢结构建筑设计时，细节的把握是至关重要的。对整个建筑而言，细节的较高质量将会带来更好地整体效果，为人们展示更美好的形象。

2.2 钢结构的稳定性设计

目前结构大多数是按照平面体系来设计的，例如常用的桁架和框架都是采用的这种设计。为保证这些平面结构不致于出现平面失稳，则需要从结构的整体布置来解决相关问题，亦即设计的时候增加必要的支撑构件来维持其整体的稳定性。换而言之，就是保持平面结构构件平面外稳定的支撑构件设置必须和平面结构布置协调一致。此外，通过平面桁架组成的塔架等相关设施及其结构，基于上述原因，也应该需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系，以保持其稳定性。钢结构稳定性设计需注意下述问题：

（1）目前的钢结构建筑多用于跨度较大的建筑结构，整体稳定和局部稳定维持一个相对的状态，杆件牵涉整体设计时，需从整体稳定入手。

（2）对于日常其他设计，除须考虑结构的整体性，还需要考虑其他的设计点。因为目前的设计分析稳定性的时候，多采用经验数据引用的某一个范围区间作为其结构参数、负荷的计算点。而在实际操作过程中，由于结构参数的不稳定性，造成对结构稳定性的分析结果具有相对误差性。

（3）考虑建筑的稳定性的时候，还需考虑钢结构材料的弹性、应力叠加等多方面因素。通常建筑使用的混凝土的计算公式在此时将不能运用。因为对于钢结构材料而言，其应力叠加应满足这两个条件：应力应变成正比即使用材料服从虎克定律以及结构的变形很小。故而在设计钢结构建筑的时候，需从多方面考虑其设计需求。钢结构建筑在我国国内具有广阔的发展前景和普及需求。要解决钢结构稳定性设计中存在的问题，在设计时应该根据实际情况，从细节入手，将设计工作力求做得更好。

3、钢结构加固的原因

当钢结构建筑在使用过程中出现以下问题，如钢结构出现了一定的缺陷或者损伤，或者是使用条件发生了改变，亦或者在对结构的强度、刚度以及稳定性进行检查验算之后发现整体或局部结构不能够满足使用要求的，那么就需要对钢结构进行加固处理。一般而言，出现

上述情况的主要原因包括以下几个方面：（1）钢结构设计或者施工中导致钢结构出现缺陷，例如焊缝长度不够，杆件切口过长，使用截面削弱过多等；（2）钢结构在经过长时间的使用之后，会出现不同程度的锈蚀或磨损等现象，从而导致结构本身出现缺陷，使结构构件截面

严重削弱；（3）工艺生产条件发生了变化，使结构所承受的上部荷载增加，导致原有结构不能满足受力要求；（4）钢结构建筑中所用到的钢材质量无法达到既定的材质参数要求；（5）地基基础下沉导致结构变形和损伤；（6）实际使用时的积灰荷载或雪荷载远大于设计值，造

成结构受力工况超出预计，引起结构的变形和损伤；（7）自然灾害等其他因素造成结构的轻微变形和损伤。

4、钢结构加固措施

4.1 改变结构计算图形

改变结构计算图形的加固方法是指采用改变结构所承受的荷载分布状况、结构的传力途径、节点性质和边界条件，以及通过增设附加杆件和支撑、施加预应力、考虑空间协同工作等方式和手段对结构进行加固。改变结构计算图形的一般加固方法：（1）对受弯杆件可采用下列改变其截面内力的方法进行加固：a.改变荷载的分布；b.改变端部支承情况；c.增加中间支座或将简支结构端部连接成为连续结构；d.调整连续结构的支座位置；e.将结构变为撑杆式结构；f.施加预应力。（2）对结构可采用下列增加结构或构件的刚度的方法进行加固：a.增设支撑或辅助杆件使结构的长细比减少以提高其稳定性；b.在排架结构中重点加强某一列柱的刚度，使之承受大部分水平力，以减轻其它柱列负荷；c.加设支撑增加结构刚度，或者调整结构的自振频率等以提高结构承载力和改善结构动力特性；d.增加支撑形成空间结构并按空间结构验算；e.在塔架等结构中设置拉杆或适度张紧的拉索以加强结构的刚度。

4.2 构件截面加固

增加构件截面的加固方法，主要是通过采用增补钢材的方法来进行加固，除此之外，还可以采用对原构件外包混凝土的方法来进行加固处理；对于钢柱的加固，便可以可采用上述改变截面形式的方法来提高弯矩作用平面内、外的承载能力（强度及稳定性）：对于钢梁加

固，型钢梁和焊接组合钢梁都可通过采用在翼缘板上加焊水平板，斜板或型钢的方法进行加固，一般宜上下翼缘同时加固，但当钢梁顶面有铺板，上翼缘不便加固时，亦可仅对下翼缘进行补强加固。对腹板抗剪强度不足的梁进行加固时，如果梁腹板的稳定性不能满足要求，则需要采用设置加劲肋的方式进行加强以增加钢梁的局部稳定性。

4.3 连接节点加固

增加构件或对局部杆件进行替换，都需要适当的连接。增加的加固杆件必须通过节点连接才能参与到既有结构的工作，由于结构优化破坏了的节点同样需要加固。（1）原铆钉螺栓连接节点的加固。铆钉连接节点的加固宜采用高强螺栓摩

擦型连接；螺栓连接节点的加固也

宜采用高强螺栓连接进行加固。当普通螺栓或铆钉连接同时采用焊缝加固时，应按焊缝承受全部作用力设计计算该连接，不得考虑两种连接的共同工作，且不宜拆除原有连接件。（2）原焊接连接节点的加固。焊接连接节点的加固仍应继续采用焊接连接，可通过采用增加焊缝长度，加大焊缝高度或两者同时进行的方法来进行节点加固，并优先考虑增加焊缝长度的方法。加固焊缝与原有焊缝连接时，施焊前应对既有焊缝与接长加固焊缝相接处的既有焊缝进行处理，使加固焊缝与既有焊缝之间有一平滑过渡，加固焊缝的起弧点和落弧点不得紧靠既有焊缝边缘。（3）节点连接需扩大的情况。当原有连接节点无法布置加固新增的连接杆件或焊缝时，便需要考虑加大节点连接板或加辅助件，新增节点板应牢固地焊接在原节点板上；当采用加辅助件的方法时，一般要求短斜板与节点板间的焊缝承载力达到该短斜板与杆件连接焊缝承载力的1.5 倍及以上。

结束语:

综上所述，在世界经济不断发展的今天，钢结构以其诸多的优势，使其在建筑工程中的应用越来越广泛，钢结构工程在建筑市场中的地位越来越重要。钢结构设计作为钢结构工程中至关重要的环节，更是重中之重，因此作为一名工程师，必须要了解钢结构设计的方法。随着目前各种新材料以及新技术的出现，钢结构的加固方法也是不断地涌现，各种加固方法均有着其自身的特点，在对钢结构进行加固时，需要根据实际的情况，选择出一种最适宜的方法来进行钢结构的加固。综上所述，钢结构的设计及加固方法，应成为每个工程师必须了解的一项技能。

参考文献：

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