2018一级结构工程师基础教材

　　碳纤维布加固技术是利用碳素纤维布和专用结构胶对建筑构件进行加固处理，该技术采用的碳素纤维布强度是普通二级钢的10倍左右。具有强度高、重量轻、耐腐蚀性和耐久性强等优点。厚度仅为2mm左右，基本上不增加构件截面，能保证碳素纤维布与原构件共同工作。

　　1、碳纤维介绍

　　碳纤维根据原料及生产方式的不同，主要分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维及沥青基碳纤维。碳纤维产品包括PAN基碳纤维(高强度型)及沥青基碳纤维(高弹性型)。

　　2、环氧树脂

　　不同类型的树脂还可以保证其对砼具有良好的渗透作用，例如底涂树脂;以及对碳纤维片与砼结构的粘接作用，例如环氧粘结树脂等。

　　(1)环氧树脂简介

　　仅仅依靠碳纤维片本身并不能充分发挥其强大的力学特性及优越的耐久性能，只有通过环氧树脂将碳纤维片粘附于钢筋混凝土结构表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作，才能达到补强的目的。因此，环氧树脂的性能是重要的关键之一。环氧树脂因类型不同而有不同的性能，适应于各个部位的不同要求。例如底涂树脂对混凝土具有良好的渗透作用，能渗入到混凝土内一定深度;粘贴碳纤维片的环氧树脂易于“透”过碳纤维片，有很强的粘结力。依使用温度的不同，树脂还分为夏用及冬用类树脂。我公司使用的各类树脂规格及性能(包括底层涂料的规格及性能、环氧腻子的规格及性能、粘结树脂的规格及性能等均有详细表格资料、以备索取)。

　　(2)物理性能

　　碳纤维片工法中使用了底涂、腻子、浸渗粘着树脂等三种环氧树脂。上述三种环氧树脂的使用目的各不相同，其物性标准也不相同。

　　①底涂：粘着强度

　　底涂必须确实具有把作用在混凝土表面上的荷载传递到碳纤维片上的力学性能。因此粘着强度成为制定其物性标准的重要依据。

　　②腻子：

　　压缩强度·压缩弹性率

　　腻子用于填充混凝土上的微小缺损部分。因此，要求必须具有与混凝土同等以上的压缩强度。此外，还要求具有较高的压缩弹性模量。根据以上理由，制定腻子的物性标准时主要根据其压缩强度及压缩弹性模量。剪切强度·粘着强度

　　腻子与底涂一样必须具有把因荷载作用等在混凝土表面上发生的应变确实传递到碳纤维片上的力学性能。因此剪切强度及粘着强度便成为制定其物性标准的重要依据。

　　③ 粘着树脂：

　　张拉强度·弯曲强度

　　碳纤维片工法系通过向碳纤维片内渗透浸渗粘着树脂、通过固化形成CFRP.重要的是固化后的CFRP的物性，而浸渗粘着树脂本身的物性并非重要。但要想获得良好的CFRP物性，浸渗粘着树脂本身的物性确实也有影响。因此制定了最小限度的张拉强度及弯曲强度的物性标准。

　　剪切强度·粘着强度

　　浸渗粘着树脂除渗透到碳纤维片内、通过固化形成CFRP之外，还具有粘着剂的功能。与腻子、底涂同样，必须具有把因载荷作用等在混凝土表面上发生的应变确实传递到碳纤维片上的力学性能。因此剪切强度及粘着强度便成为制定其物性标准的重要依据。

　　相比之下，国产的树脂材料目前缺乏配套产品，用途单一，且尚未制定出严格的物性标准。

　　碳纤维材料与其他加固材料对比

　　(1)抗拉强度：碳纤维的抗拉强度约为钢材的10倍。

　　(2)弹性模量：碳纤维复合材料的拉伸弹性模量高于钢材，但芳纶和玻璃纤维复合材料的拉伸弹性模量则仅为钢材的一半和四分之一。

　　(3) 疲劳强度：碳纤维和芳纶纤维复合材料的疲劳强度高于高强纲丝。金属材料在交变应力作用下，疲劳极限仅为静荷强度的30%～40%.由于纤维与基体复合可缓和裂纹扩展，以及存在纤维内力再分配的可能性，复合材料的疲劳极限较高，约为静荷强度的70%～80%，并在破坏前有变形显著的征兆。

　　(4)重量：约为钢材的五分之一。

　　(5)与碳纤维板的比较：碳纤维片材可以粘贴在各种形状的结构表面，而板材更适用于规则构件表面。此外，由于粘贴板材时底层树脂的用量比片材多、厚度大，与混凝土界面的粘接强度不如片材。

　　材料性能

　　碳纤维片是以碳纤维为组分，以树脂为基体，通过一定的成型方法形成的单向排列的碳纤维的复合片材。它具有极其优越的品质：材料质轻高强，碳纤维片的抗拉强度比同截面钢材高7~10倍，用环氧树脂将它与结构物粘贴后形成一体，能可靠地与钢筋混凝土共同工作，获得优异的补强效果，而结构物自重的增加几乎可以忽略;其抗疲劳强度高，耐久性能好，耐磨损、抗老化等。注：设计厚度是按照碳纤维断面积推算出的厚度，施工时用的片材含有集束用的预浸树脂、玻璃纤维网和衬纸，其厚度与设计厚度不同。

　　工具简介

　　(1)基底处理工具：

　　① 磨机：用于混凝土表面的打磨用

　　② 錾子：用于剔凿混凝土表面松散部位的混凝土残渣

　　③ 钢丝刷：用于清除混凝土表面的不洁污渍

　　(2) 粘贴碳纤维：

　　① 调料容器：用于调和环氧树脂用

　　② 衡器：用于称量材料各组分的重量

　　③ 搅拌器：用于搅拌混合树脂材料用

　　④ 刮板：用于修补凹凸不平及粘贴碳纤维抚平用

　　⑤ 滚筒刷：用于涂刷树脂用

　　⑥ 罗拉：用于碳纤维的脱泡和压紧用

　　(3) 检测类工具：

　　① 靠尺：用于检查混凝土表面平整度

　　② 塞尺：与靠尺配合使用

　　③ 温湿度计：用于测量大气温度、湿度用

　　④ 小鼓锤：用于检查空鼓用

　　⑤ 卷尺与钢板尺

　　(4) 修补类工具

　　① 注胶器：用于向空鼓内注入粘结树脂

　　② 割刀：用于割开空鼓处碳纤维片以便注入粘结树脂

　　(5) 劳保类用品

　　① 工作服、工作帽

　　② 防护眼睛

　　③ 防尘口罩

　　④ 安全帽

　　⑤胶手套

　　粘贴钢板加固法，是指用胶黏剂将钢板粘贴在构件外部的一种加固方法。该法在建筑，桥梁等工程的加固、补强、修复中的应用较为广泛。

　　结构粘钢加固方法，与其他的加固方法比较，有许多独特的优点和先进性，主要有：

　　1、坚固耐用：

　　经过多年来的工程实践，已经证明完全能保证加固工程的质量，结构的强度和刚度都能满足设计的要求。施工工艺精巧，质量优秀，工程合格率为100%.胶粘剂30年老化试验耐久性能满足要求。粘钢加固后的结构试验，也证明强度和刚度的设计方法是正确的和可靠的。

　　2、施工快速：

　　在保证粘钢加固结构质量的前提下，快速完成施工任务，并能根据业务要求，在不停产不影响使用的情况下完成施工，受到用户的普遍赞扬。

　　3、简洁轻巧：

　　与其它加固方法比较，粘钢加固的施工，干净利落，比较简便，现场无湿作业。完成加固后的结构外观不改变，比较轻巧，钢板薄，结构自重增加极微，不会导致建筑物内其他构件的连锁加固。

　　4、灵活多样：

　　粘钢加固法的适应性很强，能够解决生产上和生活上各种有关问题。粘贴钢板的方案多种多样，灵活巧妙。还可粘贴型钢、加固钢结构及砖砌体结构等。

　　5、经济合理：

　　由于施工快，避免或减少工厂停产时间，节约加固材料，与其它加固方法比较，粘钢加固的费用大为节省，经济效益很高。

　　结构粘刚加固的使用情况：

　　(1)钢筋焊接点断裂加固

　　(2)施工中漏放钢筋加固

　　(3)混凝土标号达不到，提高结构强度加固

　　(4)加层抗震加固

　　(5)阳台根部断裂加固

　　(6)牛腿接点加固

　　(7)悬挂式吊车梁提高荷载加固

　　(8)楼面荷载集中力加固

　　(9)火灾后梁柱砼烧坏加固

　　(10)混凝土柱子牛腿断裂加固

　　(11)桥式吊车梁加固

　　(12)薄腹梁断裂加固

　　(13)爆炸冲击波破坏梁体加固

　　(14)提高楼面荷载加固

　　(15)屋架梁下弦腐蚀严重露筋加固

　　(16)断梁加固

　　(17)截柱加固

　　(18)减震加固

　　(19)梁柱受化学腐蚀的粘钢加固

　　(20)旧房改造综合加固

　　(21)生命线建筑物抗震加固

　　(22)剪力墙开1.6M以下的圆洞加固，开1M X 2M以下的门洞加固

　　(23)桥梁断裂、旧桥维修加固

　　(24)提高柱子承载力解决柱子轴压比超标加固

　　一、作用的定义

　　施加在结构上的集中力或分布力，或引起结构外加变形或约束变形的原因，都称为结构上的作用，简称作用。

　　结构上的作用有直接作用与间接作用两种。

　　结构构件自重，楼面上的人群、物品、设备的重力，风和雪等都是直接作用在结构上的力，称为直接作用或荷载。

　　温度变化、结构材料的收缩或徐变、地基变形、地震等都会使结构产生外加变形或约束变形，但它们不是直接以力的形式出现的，故称为间接作用。

　　二、作用的分类

　　作用按其随时间的变异，分为永久作用、可变作用、偶然作用三类。

　　两类极限状态

　　一.结构的功能要求——结构和构件在规定的时间内，应满足以下四项预期的功能要求，

　　(1)能承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用;

　　(2)在正常使用时具有良好的工作性能;

　　(3)在正常维护下具有足够的耐久性;

　　(4)在偶然事件(如爆炸、撞击、火灾等)发生时和发生后，仍然保持必需的整体稳定性。

　　上述一、四项是指结构的安全性，二、三项分别指结构的适用性和耐久性

　　二.结构的可靠性——是结构安全性、适用性和耐久性的概称，即指结构在规定的时间内(即设计基准期)，在规定的条件下(结构的正常设计、施工、使用和维护条件)，完成预定功能(如强度、刚度、稳定性、抗裂性、耐久性等)的能力。

　　三.设计基准期——进行结构可靠性分析是，考虑各项基本变量与时间关系所取用的基准时间。我国取结构的设计基准期为50年，特殊建筑可以例外。

　　(需说明的是，当建筑结构的使用年限到达或超过设计基准期后，并不意味该结构不能再使用了，而是指它的可靠性水平将逐渐降低。)

　　四.结构的极限状态——整个结构或结构的一部分超过某一特定状态就不能满足设计规定的某一功能要求，则此特定状态称为该功能的极限状态。

　　●实验室中的铁制品

　　基本是用钢铁制成的仪器：方座支架、物理支架、钢制黑板、真空泵、手摇抽气机、多功能实验支架、仪器车、升降台、钩码、砝码、镊子、液压机模型、离心水泵模型、手摇离心转台、马德堡半球……。

　　另外，还有许多仪器的部件采用了钢铁材料;例如显微镜、恒温箱、干燥箱、生物模型等等。

　　如何防止钢铁部件生锈，延长仪器使用寿命，是实验室管理的重要内容。

　　●铁的物理与化学性质

　　铁为银白色的金属，元素符号Fe原子序数26;

　　相对原子质量55.847;

　　熔点1535℃;

　　沸点2750℃;

　　相对密度7.86.磁化和去磁快;有延展性，是可锻金属中除钴、镍以外最坚韧的，在液态空气的温度下变脆。铁在红热时变软，可锻造和拉长;在白热时可锻接。

　　铁是比较活泼的金属，在金属活动顺序表里排在氢的前面。

　　常温时，铁在干燥的空气里不易与氧、硫、氯等非金属单质起反应，在高温时，则剧烈反应。铁在氧气中燃烧，生成Fe3O4，赤热的铁和水蒸气起反应也生成Fe3O4.铁易溶于稀的无机酸和浓盐酸中，生成二价铁盐，并放出氢气。

　　铁在干燥空气中很难与氧发生作用，但在潮湿空气中很易腐蚀，若含有酸性气或卤素蒸气时，腐蚀更快。

　　铁溶于热的或较浓的硝酸中，生成硝酸铁并释放出氮的氧化物。在常温下遇浓硫酸或浓硝酸时，表面生成一层氧化物保护膜，使铁“钝化”，故可用铁制品盛装浓硫酸或浓硝酸。铁是一变价元素，常见价态为+2和+3.铁与硫、硫酸铜溶液、盐酸、稀硫酸等反应时失去两个电子，成为+2价。与Cl2、Br2、硝酸及热浓硫酸反应，则被氧化成Fe3+.铁与氯在加热时反应剧烈。铁也能与硫、磷、硅、碳直接化合。铁与氮不能直接化合，但与氨作用。

　　●生锈原因

　　普通钢铁制品在潮湿的空气中，渐渐变色，并在表面生成一种红褐色的物质，这种现象叫做钢铁的生锈。

　　让我们先从一个事故来探讨钢铁生锈的原因。

　　外国某化学公司的一家工厂，有一贮存氯化镁的钢质容器，有一次，因容器需要维修而停止工作，厂方排空了容器中的氯化镁，并将容器冲洗了几遍。而后两个工人进入钢质容器维修，一下去就晕倒了，当人们发现后，立即将人救出并送到医院，一人经抢救脱险，另一人不幸死亡。是什么原因导致人员死亡呢?难道容器中含有有毒气体?人们对钢质容器内的空气进行了测定，并没有发现任何有毒气体，但却惊奇地发现容器中空气里的氧气含量远远低于正常标准。为什么容器中会缺氧呢?经分析，发现问题原来出在容器本身，是因为容器生锈的缘故。

　　实验证明——只有水或者只有氧气，铁都不生锈;既有水也有氧气，但没有盐，而铁生锈，说明铁生锈的必要条件只是水和氧气;有水也有氧气，还有盐，生锈的速度比只有氧和水快，说明盐在铁生锈的过程中起到加速生锈的作用。

　　其实质是铁和空气中的氧气、水蒸气等起作用，生成铁的多种氧化物的水合物。

　　铁锈的成分比较复杂，通常简略用Fe2O3.xH2O表示。铁锈是一种松脆多孔的物质，它不能保护里层的铁不被锈蚀，铁锈是一种棕红色的物质，它不像铁那么坚硬，很容易脱落，一块铁完全生锈后，体积可胀大8倍。如果铁锈不除去，这海绵状的铁锈特别容易吸收水分，铁也就烂得更快了。

　　因此时间久了，钢铁制品就可能锈蚀成一堆无用的废品。尤其严重的是，钢铁在含有酸气、氯气的水蒸气中，或接触电解质溶液时，锈蚀得特别快。据统计，每所世界上都有几千万吨钢铁变成了铁锈，而钢铁制品遭破坏而引起的停工减产、产品质量下降、环境污染、危害人体健康，甚至造成严重事故的损失是无法估量的。因此，钢铁的防锈具有重要的经济意义和社会意义。

　　●防锈方法

　　常用的防止铁生锈的方法有：

　　A.组成合金，以改变铁内部的组织结构。例如，把铬、镍等金属加入普通钢里制成不锈钢，就大大地增加了钢铁制品的抗生锈能力。

　　B.在铁制品表面覆盖保护层是防止铁制品生锈普遍而重要的方法。根据保护层的成分不同，可分为如下几种：

　　(1)在铁制品表面涂矿物性油、油漆或覆盖搪瓷、塑料等物质。例如，车厢、水桶等常涂油漆;机器常涂矿物性油等。

　　(2)在钢铁制品表面用电镀、热镀等方法镀上一层不易生锈的金属。如锌、锡、铬、镍等。这些金属表面都能形成一层致密的氧化物薄膜，从而防止铁制品和水、空气等物质接触而生锈。

　　(3)用化学方法使铁制品表面生成一层致密而稳定的氧化膜以防止铁制品生锈。

　　C.保持铁制品表面的洁净和干燥也是防止铁制品生锈的一种很好方法。

　　要除去铁锈，可以利用各种工具把它铲掉，也可以泡在酸性的溶液中把它溶解掉。在去掉铁锈以后，一定要对铁器表面进行处理，涂上一层铅丹，再涂上油漆;或者镀上别的不容易生锈的金属。

　　依据铁制品生锈的条件，防止铁生锈的基本思路是破坏铁制品锈蚀的条件，使铁制品隔绝空气和水。具体措施有：在铁的表面涂油、刷漆、镀耐腐蚀的铬及制造耐腐蚀的合金等。

　　铁在干燥空气中很难与氧发生作用，但在潮湿空气中很易腐蚀，若含有酸性气或卤素蒸气时，腐蚀更快。

　　在潮湿的地方的铁器比干燥的地方的铁器更容易生锈是因为在潮湿的地方的铁器比干燥的地方的铁器更容易与水接触。

　　涂了油漆的铁制品不容易生锈则是因为油漆起到了隔绝空气中和水的作用。

　　如果要减少铁的生锈，任意切断生锈条件中的一个便可。如把铁上面涂上油漆，便切断了铁和空气的接触。

　　把一些铁制品如铁架台等用完后擦干并放在干燥的地方，则可以切断铁和水的接触，从而防止铁制品生锈。

　　●实验室防锈措施

　　环境保持通风干燥，实验室和仪器室要定期打开窗子通风。

　　避免铁制部分与水、化学试剂的接触，特别是钩码、砝码、显微镜等仪器。仪器使用完毕，即使没有接触水，也要立即擦拭干净。擦拭较精密仪器硬是用纱布。

　　对铁架台的容易生锈的仪器要及时除锈，除锈应使用铁刷子或沙质，然后涂一层防锈漆，再刷一层漆。

　　附录：防腐蚀技术对在腐蚀性介质中的金属材料及其制品，采用各种不同的防腐蚀技术，以延长金属制品的使用寿命，保证工艺设备的安全和顺利运行。防腐蚀技术主要有下列几类：

　　合理选材这是防止和控制设备腐蚀的最普通和最有效的方法之一。选材务必做到：①了解环境因素和腐蚀因素，包括介质的种类、浓度、温度、压力、流动状态、杂质种类和数量、含氧量，以及有无固体悬浮物和微生物等;②研究有关资料数据;③按实际条件进行模拟试验，以获得选材的可靠数据。由此了解材料的耐蚀性能及其工艺特性;④综合考虑材料的耐蚀性和经济性;⑤考虑合适的防腐蚀措施。

　　表面防护金属材料及其制品表面经处理后形成防护层，可以使金属表面与外界介质隔开，阻止两者发生作用，同时还能取得装饰性外观。表面防护是防止或减轻基体金属腐蚀应用最普遍的方法。表面防护层常见的有两类：金属镀层和非金属涂层。

　　金属镀层——在金属表面镀层有下列方法：扩散渗镀、喷镀、电镀。

　　非金属涂层——常用于提高制品的耐蚀性和装饰性。有机涂层有涂料(包括油漆)、塑料、橡胶等。无机涂层有搪瓷、玻璃等。

　　判断结构是否适合用钢结构

　　钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。直观的说：大厦、体育馆、歌剧院、大桥、电视塔、仓棚、工厂、住宅和临时建筑等。这是和钢结构自身的特点相一致的。

　　此处仅简单介绍。详请参考相关专业书籍。由于结构选型涉及广泛，做结构选型及布置应该在经验丰富的工程师指导下进行。

　　在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。

　　林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和个分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。[20]

　　钢结构通常有框架、平面(木行)架、网架(壳)、索膜、轻钢、塔桅等结构型式。

　　其理论与技术大都成熟。亦有部分难题没有解决，或没有简单实用的设计方法，比如网壳的稳定等。

　　结构选型时，应考虑它们不同的特点。在轻钢工业厂房中，当有较大悬挂荷载或移动荷载，就可考虑放弃门式刚架而采用网架。基本雪压大的地区，屋面曲线应有利于积雪滑落(切线50度内需考虑雪载)，如亚东水泥厂石灰石仓棚采用三心圆网壳。总雪载释放近一半。降雨量大的地区相似考虑。建筑允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。而屋面覆盖跨度较大的建筑中，可选择构件受拉为主的悬索或索膜结构体系。高层钢结构设计中，常采用钢混凝土组合结构，在地震烈度高或很不规则的高层中，不应单纯为了经济去选择不利抗震的核心筒加外框的形式。宜选择周边巨型SRC柱，核心为支撑框架的结构体系。我国半数以上的此类高层为前者。对抗震不利。[19]

　　结构的布置要根据体系特征，荷载分布情况及性质等综合考虑。一般的说要刚度均匀。力学模型清晰。尽可能限制大荷载或移动荷载的影响范围，使其以最直接的线路传递到基础。柱间抗侧支撑的分布应均匀。其形心要尽量靠近侧向力(风震)的作用线。否则应考虑结构的扭转。结构的抗侧应有多道防线。比如有支撑框架结构，柱子至少应能单独承受1/4的总水平力。

　　框架结构的楼层平面次梁的布置，有时可以调整其荷载传递方向以满足不同的要求。通常为了减小截面沿短向布置次梁，但是这会使主梁截面加大，减少了楼层净高，顶层边柱也有时会吃不消，此时把次梁支撑在较短的主梁上可以牺牲次梁保住主梁和柱子。

　　预估截面

　　结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。

　　钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20～1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

　　柱截面按长细比预估。通常50<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。

　　初学者需注意，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的组成构件的板件的局部稳定问题。在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。

　　除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。

　　结构分析

　　目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-Δ，p-δ。

　　新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件：

　　典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。

　　简单结构通过手算进行分析。

　　复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。