鋼結(jié)構(gòu)工程中的典型問題及加固設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)工程中的典型問題及加固設(shè)計

1原結(jié)構(gòu)層模型在一座大型商業(yè)空間中，由一個中庭加建的鋼框架結(jié)構(gòu)于2011年竣工，總面積約180m。一層是地下的，六層是地上的。每層的高度為：負(fù)一層4.20m，1層6.00m，2.4層4.80m，5層4.2m，6層4.3m。結(jié)構(gòu)平面形狀為L形,1~6層承重框架柱為箱形鋼柱,負(fù)1層為型鋼混凝土柱,主要為H型鋼梁,樓板為樓承板,基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)。原結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。主體結(jié)構(gòu)完工后,因業(yè)主對鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量或材料質(zhì)量有懷疑,為徹底了解該鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量及安全可靠性、確保使用安全,對該樓房進行質(zhì)量及安全檢測鑒定,并根據(jù)檢測結(jié)果及現(xiàn)行規(guī)范對該鋼結(jié)構(gòu)進行了加固設(shè)計與施工。2質(zhì)量檢測方案設(shè)計結(jié)合現(xiàn)場實際情況及相關(guān)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定了相應(yīng)的質(zhì)量檢測方案,通過對結(jié)構(gòu)外觀、焊縫、連接質(zhì)量、材料質(zhì)量、結(jié)構(gòu)安裝偏差及變形等方面的檢測,得出以下結(jié)論。2.1測量的尺寸各樓層層高及鋼結(jié)構(gòu)軸線尺寸、構(gòu)件詳細(xì)尺寸與原設(shè)計基本一致,符合原設(shè)計要求。2.2表面焊接質(zhì)量(1)鋼材的表面未發(fā)現(xiàn)有明顯的裂紋、銹蝕、麻點或劃傷等質(zhì)量缺陷,基本符合設(shè)計要求。(2)焊縫外觀質(zhì)量較差?？蚣芰褐g剛接節(jié)點翼緣的焊接不符合原設(shè)計翼緣為全熔透坡口焊接的設(shè)計要求;在2層及5層鋼柱對接焊縫的表面上可清晰地發(fā)現(xiàn)表面氣孔、表面夾渣、未焊滿、咬邊、接頭不良等現(xiàn)象(圖2),外觀質(zhì)量不符合設(shè)計及規(guī)范的要求。(3)高強度螺栓連接外觀質(zhì)量合格,基本滿足設(shè)計及規(guī)范要求。(4)涂層表面未發(fā)現(xiàn)明顯的漏涂,表面未發(fā)現(xiàn)明顯的脫皮、泛銹、龜裂和起泡等缺陷,防火涂層的厚度不足,不滿足設(shè)計及規(guī)范要求。2.3b5206—焊縫質(zhì)量鋼柱對接焊縫不符合設(shè)計要求及《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205—2001)的要求;焊縫內(nèi)部缺陷超聲波探傷評定等級為Ⅳ級,不符合《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》(GB11345—89)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ級焊縫質(zhì)量要求,不符合設(shè)計要求。2.4框架梁與次梁之間剛性連接各層鋼結(jié)構(gòu)框架梁之間的連接基本未按原設(shè)計要求對翼緣進行焊接(圖3);框架梁與次梁之間剛性連接節(jié)點(圖1)未按原設(shè)計要求安裝及焊接,翼緣之間未焊接,加勁肋未抵至次梁下翼緣(圖4);鋼柱對接連接焊縫質(zhì)量不合格,即鋼結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接不符合設(shè)計要求。2.5施工不當(dāng)引起的變形鋼結(jié)構(gòu)各層框架鋼梁、鋼柱均出現(xiàn)較嚴(yán)重的因安裝施工不當(dāng)引起的變形及接口錯位等現(xiàn)象,施工偏差明顯超過規(guī)范允許值,大部分鋼柱有明顯的垂直度偏差,不符合原設(shè)計及規(guī)范要求,見圖2,3。2.6原材料的取樣結(jié)果經(jīng)現(xiàn)場抽取原材送檢,根據(jù)檢驗報告,原材質(zhì)量檢驗結(jié)果為合格,符合設(shè)計及規(guī)范要求。2.7主體施工質(zhì)量不合格鑒于以上幾點檢測結(jié)果,綜合評定該鋼結(jié)構(gòu)主體施工質(zhì)量不合格,整體結(jié)構(gòu)安裝有嚴(yán)重偏差,不符合設(shè)計及驗收規(guī)范要求,存在嚴(yán)重的安全隱患,須進行加固設(shè)計與施工。3加固方案的確定根據(jù)檢測結(jié)論及分析結(jié)果,通過對加固方案的適用性、可靠性、可操作性、施工周期和經(jīng)濟性等多方面的綜合考量,確定針對鋼結(jié)構(gòu)框架梁、柱及相關(guān)連接節(jié)點的最優(yōu)加固方案。3.1框架柱加固方案設(shè)計由鋼結(jié)構(gòu)體系特點可知,不宜在結(jié)構(gòu)構(gòu)件服役受力狀態(tài)下進行大量焊接處理,而且采用焊接加固方法仍無法糾正原結(jié)構(gòu)的安裝施工偏差等問題。考慮到商場空間較大,經(jīng)綜合分析采用外包鋼筋混凝土法對鋼框架梁、柱進行加固處理,在避免對原結(jié)構(gòu)大量焊接的同時,混凝土層亦可兼作防火層,具有節(jié)省工期、堅實可靠等特點。(1)鋼柱的加固設(shè)計各層框架鋼柱存在垂直度偏差及駁接位施工質(zhì)量不合格等問題,加固處理后,可有效提高框架柱承載能力及剛度,同時通過外包混凝土層恢復(fù)框架柱垂直度。以軸(13)/?柱為例詳細(xì)介紹加固設(shè)計方法。建筑物耐火等級為一級,鋼柱耐火極限為3h,根據(jù)相關(guān)防火規(guī)范,鋼柱以混凝土作保護層其厚度不小于12cm。現(xiàn)取150mm作為外包混凝土層厚度,滿足防火保護層厚度要求,增加的主筋及箍筋形式見圖5。其中2層、5層為鋼柱駁接節(jié)點層,因檢測結(jié)果不合格必須先進行局部加固處理,因此先在柱駁接位置采用四圍加焊鋼板的方法局部加固,見圖6。計算加固柱結(jié)構(gòu)時,原鋼柱不考慮同時參與計算,即假設(shè)原鋼柱失效,柱按混凝土箱形截面等效為慣性矩和面積都相等的工字形截面計算強度及配筋。計算得出各內(nèi)力參數(shù)如表1所示。加固后框架柱有了較大的安全儲備,能確保結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求,柱的穩(wěn)定性及剛度得到了有效提高。使用該方法加固達(dá)到了安全要求,且施工相對較簡單快捷。(2)鋼梁的加固設(shè)計對框架鋼梁加固時應(yīng)充分利用原鋼梁,構(gòu)成完整的鋼骨混凝土結(jié)構(gòu),但實際上鋼梁對接點翼緣未做焊接連接,不能保證完整有效地傳遞彎矩、剪力等,需彌補此缺陷。經(jīng)綜合分析,采取在缺陷部位增加過渡筋及局部箍筋加密的方法解決該問題,避免焊接作業(yè)。按SATWE模擬計算結(jié)果配置型鋼混凝土框梁及懸挑梁跨內(nèi)主筋及箍筋,再澆筑混凝土,外包混凝土厚度梁底增加50mm、梁側(cè)每側(cè)增加80mm,具體加固結(jié)構(gòu)大樣如圖7所示。對于上下翼緣過渡筋的配置,則不考慮型鋼作用,按鋼筋混凝土框架梁SATWE模擬計算結(jié)果進行配置,其錨固搭接長度按規(guī)范,保證該加固方案的經(jīng)濟可靠?？蚣芰褐募庸淌┕ぷ鳂I(yè)應(yīng)按由下往上即從1~6層逐層進行,若需整體施工,則需有足夠的施工安全措施及更為可靠的監(jiān)測措施,同時應(yīng)注意以下幾點:(1)首層柱加固縱筋需按規(guī)范要求植筋植入下層混凝土柱頂;鋼柱駁接處的局部加固焊接不應(yīng)整體同時施工。(2)梁加固過渡鋼筋采取點焊方式固定于原鋼梁上;主鋼筋遇主次梁節(jié)點時應(yīng)開孔穿過次梁節(jié)點板;梁加固混凝土澆筑時局部開鑿樓板,但開鑿原樓板應(yīng)跳開分段進行。3.2調(diào)整施工順序,合理安排補焊施工(1)主次梁剛性連接節(jié)點部位采用補焊方式進行加固處理。施工時應(yīng)盡量減少該項焊接對整體結(jié)構(gòu)安全的影響,調(diào)整好該項施工順序。補焊時要求對原梁底作臨時支頂,卸荷情況下施焊,上翼緣施焊需局部開鑿樓板。(2)位于軸(13)/(2/A)柱附近的懸挑部位,其懸挑跨度相對較大(約4.8m),因此該部位額外增加鋼牛腿進行加固處理,同時應(yīng)使加勁肋抵至下翼緣。3.3新舊加承臺間管建筑原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ),因加固后結(jié)構(gòu)整體自重荷載增大,經(jīng)驗算原有部分樁基承載能力明顯不足,需要對部分基礎(chǔ)采取補強措施。采用新增錨筋承臺錨桿靜壓樁法對8個承載不足的樁基礎(chǔ)進行補強,以有效增加原樁基礎(chǔ)的承載能力,其中原四樁承臺的基礎(chǔ)加固平面大樣及剖面見圖8。新增承臺采用化學(xué)植筋方式與原樁基礎(chǔ)承臺連接,植筋錨固長度應(yīng)滿足規(guī)范要求,新舊承臺間須進行界面處理,承臺配筋按實際驗算結(jié)果確定。加樁采用ue788219×8鋼管樁,采用液壓千斤頂施壓壓入,單樁設(shè)計承載力為400kN,以施壓荷載為800kN時,半小時內(nèi)樁沉降量不大于2mm作為收樁條件。其中軸(13)/?加固前后樁基礎(chǔ)各項參數(shù)見表2。由表可見,采用新加錨筋承臺錨桿靜壓鋼管樁對原樁基礎(chǔ)進行補強,使樁基礎(chǔ)承載能力滿足要求,達(dá)到了補強的目的。且該方法主要為干作業(yè),機械設(shè)備較為輕便、影響小,施工時場地較為清潔。在施工過程中,還應(yīng)注意以下幾點:(1)新加承臺鋼筋嚴(yán)格按規(guī)范要求進行植筋錨固,保證有效傳力,達(dá)到設(shè)計要求。(2)為讓新舊承臺結(jié)構(gòu)共同協(xié)調(diào)作用,新舊混凝土界面要求處理,將舊混凝土表面鑿毛,深度宜為10mm左右,鑿毛后用水清洗干凈,并充分濕潤。(3)鋼管樁內(nèi)須灌注素混凝土,為了讓新加樁在施工完成后即刻起作用、減小原基礎(chǔ)沉降,新加樁封樁采用穩(wěn)壓封樁。(4)基礎(chǔ)加固施工前應(yīng)該設(shè)置好柱位的沉降觀測點。4現(xiàn)場檢測結(jié)果為驗證已完成鋼結(jié)構(gòu)加固梁的工作情況,以及檢查加固結(jié)構(gòu)在原設(shè)計正常使用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值3.5kN/m2作用下梁的工作情況,對加固梁進行了靜載試驗。選取具有代表性的加固構(gòu)件進行應(yīng)變和變形檢測,其中某長主梁的具體加載位置如圖9陰影所示,檢測儀表安裝見圖10。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果,得出該長主梁跨中變形曲線及鋼筋應(yīng)變增量曲線,如圖11,12所示。在正常使用荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,該長主梁跨中最大撓度為0.25mm,是跨度的1/42400,遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的撓度限值要求;跨中最大應(yīng)變?yōu)?8με,即鋼筋的應(yīng)力為7.6MPa?？梢娂庸毯罅撼休d能力能滿足正常使用荷載要求,安全性得到大幅提高,說明該加固方案起到了較明顯的效果。加固完成后對建筑做過全面的質(zhì)量檢查,未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象,未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降引起的房屋損壞及其他異常情況,證明加固結(jié)構(gòu)是安全可靠的。5加固方案的確定(1)在鋼結(jié)構(gòu)的檢測中,綜合現(xiàn)場實際情況,應(yīng)保證基本項目檢查落實,檢測結(jié)果能全面反映出結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀,是否符合設(shè)計及規(guī)范要求、是否安全可靠。(2)針對檢測結(jié)論所反映出的結(jié)構(gòu)問題,根據(jù)已建成鋼結(jié)構(gòu)的特點,綜合考慮結(jié)構(gòu)性能及功能要求,通過對加固方案適用性、可靠性、施工周期等多方面的綜合考量,確定有針對性的最優(yōu)加固方案。(3)無空間限制情況下采用外包鋼筋混凝土的方法加固鋼框架梁柱,可系統(tǒng)解決鋼結(jié)構(gòu)施工不合格、安裝偏差及防火等問題,且能快速施工,有效縮短施工周期;此外又能全面提高結(jié)構(gòu)各項性能,保證結(jié)構(gòu)更為安全可靠。本工程如期完成了施工工作,證明了該施工方法適用可行,為業(yè)主爭取了寶