钢结构加固设计几点体会

加固，在装置改造期间对设备梁进行断面加 许增加焊缝长度时，应首先采用加长焊缝的加 强度 45~55MPa），对钢筋无腐蚀作用等，现
固，钢梁上下翼缘及腹板贴钢板，解决了抗剪 固连接方法，尤其在负载条件下加固时。负荷 场可根据改造加固时间确定建筑结构加固料或
和抗弯承载力不足的问题。
状态下施焊加固时，焊条直径宜在 4mm 以下、 混凝土，若施工时间短可采用建筑结构结构加
接连接的刚度最小 （普通螺栓连接除外），焊
0.9-折减系数；
负荷作用下焊接，因此对钢柱采用外包建筑结
接连接刚度大，整体性好，高强螺栓连接介于
τ-原有焊缝加固前计算应力；
构加固料或混凝土加固，由于框架 H 型钢柱
两者之间。由于加固结构的制约因素较多，采
fຫໍສະໝຸດ Baiduw-角焊缝设计强度；
有多处加劲板和连接节点板，若采用混凝土加
原截面形心位置，否则应验算新截面的形心移 动带来的附加弯距作用。
（4） 对型钢柱外包建筑结构加固料的加 固是一种既节约工期又能保证质量的改造方
计算。
lh-加固施工时，热影响焊缝区退出工作 法。
b.原焊接连接的加固。焊接连接节点的加 区段长度。
参考文献
固，仍用焊接。焊接加固方式有两种：一是加
（4） 对型钢柱外包建筑结构加固料或混 [1] GB50017-2003，钢结构设计规范 [S] .
北京：中国建筑工业出版社，2003.
图3 －374－
责任编辑： 周宝军
不明的情况下，用焊接加固必须取样复验，以
b 增加焊缝高度 （堆焊） 加固验算：
12 天完成了钢柱加固，为整个装置改造赢得
保证焊接施工的可焊性。下面介绍高强螺栓和
[Nw] =m （[Nw] o+ [Nw] ）n
了工期，满足了施工和设计要求。图 3 是框架
焊接连接的加固方法及其计算：
式中，m-折减系数，m=0.8。
钢结构的加固连接有铆接、螺栓连接和 范验算；
固，采用加大断面贴钢板焊接加固法时，框架
焊接三种方式，加固连接方式选用必须满足既
[Nw] n-补增焊缝的承载能力，按规范计 柱的最大名义应力值为 σ=0.73fy （≥0.55fy），
不破坏原结构功能，又能参与工作的要求；铆 算；
按照 《钢结构加固技术规范》 中规定，不能在
大焊缝高度 （堆焊），为了确保安全，焊条直 凝土的加固。该加固方法又称加大截面加固 [2] 钢结构设计手册 [M] .北京：中国建筑工
径不宜大于 4mm，电流不宜大于 220A，每道 法，是对型钢柱外包建筑结构加固料或混凝 业出版社，2004.
焊缝的堆高不宜超过 2mm，如需加高量大， 土，来增大原柱结构的截面面积，达到提高结 [3] CECS 77：96，钢结构加固技术规范.
布置位置，使二者变形协同。采高强螺栓加固 焊缝） 和被焊钢板的总厚度，热影响长度最长 行，做好构件和节点设计，保证结构的安全。
验算公式如下：
可达 100mm，故在负荷下堆焊加固焊缝尚需
（2） 设计时要重视计算和模型的假定，
[Nb] = [Nb] o+ [Nb] n
按下式验算焊缝强度：
式中 [Nb] -高强螺栓连接的总承载能
图1
（2） 加大原结构构件截面，改变构件截
面特性，增加构件承载力。加大构件截面法是
指原构件与新增型钢经焊接或螺栓连接组合后
形成新型钢断面，根据材料力学原理重新计算
构件截面特性，并考虑加固强度的折减系数，
以达到新荷载对构件设计要求的方法。运用结
构计算软件 （如 PK、Staad-Pru 程序） 进行框
下式计算并取值。
ηn=0.85-0.23σ/fy
其中：σ 为构件未加固时的名义应力。
例 3：大连西太石化公司 800 万吨/年常
减压装置改造中框架-1 （常压框架），由于更
换新设备，设备荷重增加 8.25 吨，经过框架
结构验算，框架梁、柱均满足要求，仅设备钢
－373－
建筑工程
梁抗弯承载力不能满足要求，需对设备梁进行 缝强度；二是加长焊缝长度，在原有节点能允 20MPa，3 天抗压强度 30~40MPa，28 天抗压
架内力分析时，按照力学指标 （如截面惯性
矩-I，截面模量-W，截面面积-S，截面回转
半径-i 等） 近似相等法则，将新型钢梁或柱
折算成标准型钢输入程序，根据程序的计算结
果不断调整型钢的加固断面，直到满足规范要
求。根据构件的受力特性，加固方法可分为：
a.受弯构件的加固。在主平面内受弯的加
固受弯构件，按下式计算其抗弯强度：
ηm—— —受 弯 构 件 加 固 强 度 的 折 减 系 数 ， 对直接承受动力荷载的结构取 0.85，对其它结 构取 0.85；
f—— —截面中最低强度级别钢材的抗弯强 度设计值。
b.轴心受力和拉弯、压弯构件的加固。轴 心受压或轴心受拉构件采用对称的或不改变形 心位置的加固截面形式，其强度按下列规定计
例 2：湛江 50 万吨/年催化裂化装置中框 架-3，一层改为二层，竖向荷载增加近一倍， 由于湛江基本风压大 （Wo=0.85KPa，A 类场 地），经过结构验算，框架梁、柱承载力不能 满足设计要求，且变形超规范要求，需对框架 进行整体加固，通过方案的优化，采取增加柱 间支撑，支撑位置设在管线较少的跨间，解决 了变形和强度不足的问题。改造简图见图 2。
Mx γxWnx
+
Mx γyWny
燮ηmf
Mx，My—— —绕加固后截面形心 X 轴和 Y 轴的加固前弯矩与加固后增加的弯矩之和；
Wnx，Wny—— —对加固后截面形心 X 轴和 Y 轴的净截面抵抗矩；
γx，γy—— —截面塑性发展系数，对直接承 受动力荷载的结构取 1.0，对其它结构根据照 截面形状按照 《钢结构设计规范》 有关表格采 用；
柱的加固示意图。
a.原高强螺栓连接的加固。原高强螺栓连
在负荷状态下施焊时，应考虑到堆焊时
结束语
接节点，仍用高强螺栓加固；个别情况可同时 原有焊缝部分融化退出工作，使其承载能力下
（1） 炼油装置改造中，钢结构加固设计
使用高强螺栓和焊缝来加固，但要注意螺栓的 降。热影响长度取决于焊缝厚度 （原有和新增 工作是非常复杂，应按照有关规范规定要求进
[Nw] = [Nw] o+0.9β （1-0.5τ/ft）w [Nw] n 式中: [Nw] -焊缝连接的总承载能力；
框架钢柱的承载力不能满足设计要求，应对框 架柱进行加固。由于装置改造时间仅有 45 天，
加固要受到足够的重视。
[Nw] o-连接中原有焊缝的承载能力，按规 经讨论需在工艺装置生产期间完成框架柱的加
例 1：抚顺石油二厂 120 万吨/年催化装 置中框架-2，根据上游专业的委托，大设备更 换小设备，经过结构验算，框架梁承载力不能 满足设计要求，需对框架梁进行加固，通过方 案的优化，采取框架梁下增加八字斜撑，支撑 位置设在新增设备梁和框架梁相交处，同时解 决了抗剪和抗弯承载力不足的问题。改造简图 见图 1。
应逐次分层加焊，每次以 2mm 为限，后一道 构承载力的目的。建筑结构加固料的特性：浆 [4] 建筑工程事故处理手册 [M] .第二版.北京：
堆焊应待前一道堆焊冷却到 100℃以下才能施 料自流 （≥240mm），自密实，无收缩，抗离 中国建筑工业出版社，2002.
焊，这是为了使施焊热过程尽量不影响原有焊 析，强度高，凝结时间短 （1 天抗压强度 10~ [5] 建筑工程质量通病防治手册 [M] .第三版.
建筑工程
钢结构加固设计几点体会
黄克坚
（洛阳石化工程公司，河南 洛阳 471000）
摘 要：通过对钢结构加固形式和计算方法的论述，提出了钢结构加固设计工作中的几点体会，并结合具体钢结构改造工程设计，简要介绍了 建筑结构加固料在钢结构加固中的应用。
关 键 词 ：加固形式；加固计算；结构加固料
引言 随着石油化工企业加工能力的增加和化 工工艺的不断改进，炼油装置改造升级，装置 中支承设备荷载的框架和管架相应加固改造， 其中钢结构部分的改造占一定比重，框架结构 的安全性将直接影响工艺装置的正常运行，因 此钢结构加固的可行性和改造方法显得非常重 要。 1 钢结构加固前的准备和要求 在实际的结构设计工作中，相对于新建 装置来说，改造装置工作较难，表现在具体构 件和节点加固时需要查阅的资料多，方案要多 次比较，结构计算复杂，以及加固方案的施工 配合等，尤其钢结构加固前的准备和要求是相 当重要，它关系到钢结构加固的能否实施。结 合钢结构改造的设计经验，钢结构加固前的准 备和要求有以下几点值得注意： （1） 钢结构因使用功能 （条件） 改变， 经荷载作用的重新核算需要加固时，构件要进 行加固。加固设计的内容及范围可根据原结构 使用情况和新荷载作用的要求确定，可以是框 架梁、柱、支撑及设备梁的整体加固，也可以 是上述局部构件和连接节点的加固。 （2） 加固后钢框架的功能均能满足现行 规范和荷载使用要求。 （3） 钢结构的加固设计要与实际施工方 法紧密结合，并采取有效措施。保证新增截 面、构件和部件与原结构连接可靠，形成共同 工作。 （4） 加固前要对钢结构的使用情况进行 鉴定，如原构件的变形和腐蚀情况。 2 钢结构加固的几种方法及其选择 本人参与了一些石油化工装置的钢结构 改造设计，如抚顺石油二厂 120 万吨/年催化 装置、青岛石化 100 万吨/年催化裂化装置、 茂名石化 100 万吨/年催化裂化装置、湛江 50 万吨/年催化裂化装置、洛炼 140 万吨/年催化 裂化装置等，大连西太 800 万常减压装置改 造，兰州石化丙烯酸装置改造，锦州石化重整 装置改造。其中钢结构改造是结构专业重点工 作之一，有时也是装置能否改造的关键条件之 一，因此对钢结构的加固方案做了一些认真的 比较和优化，并顺利实施于改造工程当中，下 面谈一下钢结构加固的几种常用方法： （1） 增加受力构件 （梁、柱或支撑），改 变结构计算模型，对改变受力路径的结构体系 按改造后的受力路径进行结构验算。改变结构 计算模型的加固方法是指改变荷载分布状况、 受力途径、节点性质和边界条件，增加受力构 件，并考虑框架空间协同工作等措施对结构进 行加固的方法。
证做到“强节点，强连接”，若钢结构连接节 后再进行。采焊接加固验算公式如下：
再生器设备重量增加近 100 吨，且高度增加
点不满足新的受力情况时，需要对其采取一定
a.增加焊缝长度加固验算:
10 米，经过荷载计算和框架强度的复核，原
的加固措施，满足构件对节点的强度要求。因 此，在钢结构加固工作中，连接节点的计算和
用何种连接方式需要综合考虑；铆接因施工繁
β.-应力分布系数，当原焊缝为侧焊时， 固，难于浇注和振捣，不能保证混凝土密实
杂，目前已基本淘汰；焊接最方便，但焊接对 β=1；当原焊缝既有侧焊缝又有端焊缝时，β= 性，将导致强度不足而加固失效，最后决定采
钢材材质要求较高，在原结构资料不全、材质 0.7。
用建筑结构加固料，在工艺装置生产期间仅用
Nc≤0.7hof （lof-l）h ftw
加固时满足负荷作用和安全措施的要求。 （3） 对构件加固后的截面，尽可能维持
力； [Nb] o-连接中原有高强螺栓的承载能力，
按规范抗剪、抗拉、抗承压计算； [Nb] n-新增高强螺栓的承载能力，按规范
式中 Nc-加固当时焊缝所承受的实际内 力；
hof-加固前原有焊缝高度； lof-加固前原有焊缝长度；
（3） 钢结构连接方式的加固。钢结构构 电 流 220A 以 下 、 每 一 道 焊 缝 高 度 不 超 过 固料。
件经过计算和改造后满足使用刚度和强度要 8mm，如计算高度超过 8mm，宜逐次分层施
工程实例：2006 年茂名石化 100 万吨/年
求，其各杆件之间的连接节点也要求验算，保 焊，后道施焊应在前道焊缝冷却到 100℃以下 催化裂化装置再生器框架 （钢结构） 的改造，
图2
算：
N An
燮ηnf
An—— —加固后构件净截面面积；
f—— —截面中最低强度级别钢材的抗弯强
度设计值；
ηm—— —轴 心 受 力 加 固 构 件 的 强 度 折 减 系
数。对非焊接加固的轴心受力或焊接加固的轴
心受拉直接承受动力荷载的结构构件取 0.85，
对其它结构取 0.9。对焊接加固的受压构件按