閆 博

(鄉(xiāng)寧縣凱博拆遷公司，山西鄉(xiāng)寧 042100)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)建成后的長(zhǎng)期服役過(guò)程中，由于自然老化、損傷、各種災(zāi)害和其所處環(huán)境、使用條件等因素的影響，結(jié)構(gòu)不可避免的出現(xiàn)功能減弱。同時(shí)一些其他結(jié)構(gòu)的使用功能發(fā)生改變導(dǎo)致現(xiàn)有結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足新的要求。這些都有必要重新科學(xué)的評(píng)估結(jié)構(gòu)功能，并采取有效的結(jié)構(gòu)加固加層措施，使結(jié)構(gòu)的抗力得以恢復(fù)或提高，以滿足新的使用要求。文獻(xiàn)[1]～[3]中指出在發(fā)達(dá)國(guó)家早已呈現(xiàn)出建筑結(jié)構(gòu)的新建與加固改造的前消后漲的趨勢(shì)。另外，結(jié)構(gòu)損傷具有局部性和多發(fā)性特點(diǎn)，這些結(jié)構(gòu)不可能在出現(xiàn)損傷時(shí)就立即退役。因此建筑結(jié)構(gòu)評(píng)估與加固修復(fù)已經(jīng)獲得充分重視，已成為建筑行業(yè)的一個(gè)新領(lǐng)域[4]。

1 概況

該單跨框架支撐結(jié)構(gòu)為某氣化車間，位于太原市小店區(qū)，該車間于1989年6月15日開(kāi)始施工，1990年11月12日工程全部竣工，距現(xiàn)在已經(jīng)21年。建筑結(jié)構(gòu)形式為單跨高層鋼框架中心支撐結(jié)構(gòu)，總建筑面積為1 091.32 m2，平面布置為矩形，長(zhǎng)18 m，寬8 m，柱距4.5 m，建筑層數(shù)共7層，檐口標(biāo)高30 m，屋面形式為雙坡形屋面。該車間無(wú)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，柱采用焊接H型鋼，梁采用普通工字鋼與焊接 H型鋼兩種，柱間支撐采用等邊雙角鋼，鋼材材質(zhì)為A3鋼(Q235)，樓板為花紋鋼板。柱與主梁、主梁與次梁均采用鉸接連接，支撐與梁、柱的連接也采用鉸接連接，樓板與梁采用間斷焊連接。

本工程后續(xù)使用年限為20年。地震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地特征周期取0.45 s。

該框架結(jié)構(gòu)已使用21年，因工藝設(shè)備和使用功能發(fā)生改變需對(duì)架構(gòu)進(jìn)行加固加層處理，且各層次梁因設(shè)備布置需要分布極不規(guī)律(見(jiàn)圖1)。鑒于此，為了確保鋼結(jié)構(gòu)施工過(guò)程符合相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求[6]，消除單跨鋼結(jié)構(gòu)施工中存在的施工缺陷、安裝誤差及其他安全隱患，需要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、復(fù)核計(jì)算以及結(jié)構(gòu)加固等手段，使結(jié)構(gòu)滿足正常使用要求，并確保單跨鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中的安全可靠性。

圖1 平面布置圖

2 工程檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算

2.1 工程檢測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)方案

在原結(jié)構(gòu)設(shè)備荷載卸除之后，主要進(jìn)行以下四個(gè)方面的檢測(cè):

1)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)外觀損傷檢測(cè)，主要內(nèi)容包括:鋼構(gòu)件表面銹蝕情況;鋼構(gòu)件裂紋、穿孔、硬傷、硬彎、歪扭、爆皮及殘料夾層;鋼構(gòu)件主要連接部位是否存在裂紋;觀察節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)件(連接板、螺栓等)有無(wú)銹蝕，有無(wú)松動(dòng)等(特別是構(gòu)件連接和接頭處、支座連接處);檢查梁柱支撐有無(wú)彎曲變形等;觀察高強(qiáng)螺栓是否完好，有無(wú)松動(dòng)和延遲斷裂現(xiàn)象;檢查焊縫外觀質(zhì)量是否完好，有無(wú)漏焊、焊角高度不夠等現(xiàn)象。

2)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)焊縫無(wú)損檢測(cè)，主要內(nèi)容包括:焊縫質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)支座的主要焊縫質(zhì)量進(jìn)行金屬探傷檢測(cè)，同時(shí)也采用磁粉探傷進(jìn)行檢測(cè);對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架的柱腹板厚度進(jìn)行檢測(cè)，并與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行復(fù)核;對(duì)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的涂層進(jìn)行厚度檢測(cè)。

3)鋼框架結(jié)構(gòu)整體傾斜度及基礎(chǔ)沉降的觀測(cè)，主要內(nèi)容有:采用DTM-351全站儀對(duì)該結(jié)構(gòu)整體垂直度進(jìn)行了觀測(cè);對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行高程測(cè)量，檢測(cè)地基相對(duì)沉降量。

4)結(jié)構(gòu)體系復(fù)核，主要根據(jù)GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范、GB 50144-2008工業(yè)建筑可靠性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)件進(jìn)行復(fù)核。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

基于現(xiàn)場(chǎng)的具體檢測(cè)條件，對(duì)該工程的現(xiàn)狀進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如下:

1)建筑主體結(jié)構(gòu)基本完好，部分構(gòu)件發(fā)生變形，支撐和梁的橫截面存在一定程度的損傷，構(gòu)件連接處存在螺栓短缺現(xiàn)象。

2)結(jié)構(gòu)體系復(fù)核。根據(jù)《規(guī)范》[6]第11.2.1 條:建筑物的定位軸線、基礎(chǔ)商住的定位軸線和標(biāo)高、地腳螺栓(錨栓)的埋放和位置，地腳螺栓(錨栓)禁錮應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，將現(xiàn)有結(jié)構(gòu)圖紙進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論:

a.各層軸網(wǎng)尺寸與原設(shè)計(jì)圖紙一致。

b.支撐布置基本與設(shè)計(jì)圖紙一致，部分變更主要表現(xiàn)為:為方便布置樓梯，第二樓層軸～軸之間逐漸支撐被拆除。2層～4層的軸～軸之間支撐，由設(shè)計(jì)圖紙的十字形改為人字形。

c.各層主梁布置與設(shè)計(jì)圖紙一致;次梁因試驗(yàn)設(shè)備布置需要，與設(shè)計(jì)圖紙不符。

3)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件幾何尺寸抽檢。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》[9]第4.2.5條第2款:結(jié)構(gòu)或構(gòu)件幾何尺寸的檢測(cè)，當(dāng)圖紙資料完全完整時(shí)，可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽檢復(fù)驗(yàn)。本次檢測(cè)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件(例如:柱、梁和支撐)進(jìn)行幾何尺寸和焊縫尺寸的抽檢。抽檢柱14根，測(cè)點(diǎn)共計(jì)42個(gè)，獲取126個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。抽檢構(gòu)件中85%符合國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求。焊縫設(shè)計(jì)為10 mm，根據(jù)焊縫尺寸測(cè)量統(tǒng)計(jì)，焊縫測(cè)量尺寸與設(shè)計(jì)尺寸最大偏差為0.8 mm。由《規(guī)范》[6]附錄 A 表 A.0.3知，焊縫尺寸大于6 mm時(shí)，允許偏差為0 mm～3 mm。因此焊縫尺寸符合規(guī)范要求。

4)結(jié)構(gòu)變形及傾斜觀測(cè)。

a.傾斜觀測(cè)。采用DTM-351全站儀對(duì)該結(jié)構(gòu)整體垂直度進(jìn)行了觀測(cè)，圖2中數(shù)據(jù)表示結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的傾斜方向與傾斜量。根據(jù)《規(guī)范》[6]表11.3.5整體垂直度和整體平面彎曲的允許偏差，主體結(jié)構(gòu)的整體垂直度允許偏差為H/2 500+10且不應(yīng)大于50 mm;故該建筑的整體垂直度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

圖2 結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)傾斜示意圖

b.變形觀測(cè)。經(jīng)計(jì)算得:Δ =0.035 m，L=19.7 m，Δ/L=0.035/19.7=0.001 777 ＜0.003。根據(jù)《規(guī)范》[8]第 5.3.4 條、表5.3.4，建筑物的地基變形允許值為0.003。故該建筑的地基變形滿足規(guī)范要求。柱相對(duì)高程示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 柱相對(duì)高程示意圖

3 結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

通過(guò)對(duì)甲方提供的資料及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，根據(jù)《規(guī)范》[5]第3.6.6條第3款:復(fù)雜結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析時(shí)，應(yīng)采用不少于兩個(gè)合適的不同力學(xué)模型，并對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，最終選擇借助軟件SAP2000和PKPM(2010年版)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)以及加層后11層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。重點(diǎn)判定現(xiàn)有7層結(jié)構(gòu)承載力和正常使用兩種極限狀態(tài)是否滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求，以及現(xiàn)有結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)加層、加層后11層結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用兩種極限狀態(tài)能否滿足國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.1 計(jì)算方法及假設(shè)條件

結(jié)構(gòu)基本參數(shù)根據(jù)《規(guī)范》[5]取值，采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震作用分析。假設(shè)條件:

1)柱腳和基礎(chǔ)采用剛性連接，次梁和主梁采用鉸接連接。

2)樓板設(shè)為全房間開(kāi)洞，即厚度為零，樓面荷載折算成梁間線荷載;屋面及屋架荷載等效為板厚自重，折算為梁間線荷載作用到頂層梁上。

3)鋼框架無(wú)外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，且風(fēng)荷載同水平地震作用相比不起控制作用，暫不考慮風(fēng)荷載作用。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 振型分析

根據(jù)SAP2000和PKPM分析軟件計(jì)算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)模型及振型基本信息對(duì)比如表1，表2所示。

表1 原結(jié)構(gòu)SAP2000模型振型信息

表2 原結(jié)構(gòu)PKPM模型振型信息

3.2.2 位移及位移角分析

在正常使用極限狀態(tài)下的各種荷載組合工況中樓層最大位移及位移角對(duì)比見(jiàn)表3。現(xiàn)有結(jié)構(gòu)注定最大位移為13.1 mm，彈性層間位移角為1/767，故柱頂最大位移及層間位移角滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表3 樓層最大位移及位移角

3.2.3 樓層質(zhì)心與剛心對(duì)比

質(zhì)心為樓層質(zhì)量中心，剛心為樓層剛度中心。質(zhì)心與剛心重合時(shí)結(jié)構(gòu)抗震最有利，偏差越大，地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)越嚴(yán)重。通過(guò)PKPM軟件對(duì)原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明，原結(jié)構(gòu)3層，4層，6層質(zhì)心與剛心偏差較大，加大了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，削弱結(jié)構(gòu)抗震性能。

3.3 軟件分析小結(jié)

1)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的柱、梁、支撐的強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但是柱的長(zhǎng)細(xì)比、部分支撐長(zhǎng)細(xì)比不滿足要求。上述情況導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求[5，7]。

2)2層樓梯處拆除了柱間十字支撐，后果主要表現(xiàn)為:

a.建筑3層～4層的質(zhì)心與剛心存在較大的偏差，Y向偏差約1 m，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)。

b.結(jié)構(gòu)自振周期發(fā)生很大的變化，最大周期由原來(lái)的0.683 s變?yōu)?.719 s，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震作用下的水平位移增大。

c.結(jié)構(gòu)的位移比發(fā)生變化，X向的最大位移與層間平均位移的比值由原設(shè)計(jì)的1.1增加到1.34，使結(jié)構(gòu)在X方向處于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則狀態(tài)。

3)個(gè)別鋼柱的截面尺寸與原設(shè)計(jì)不符;建筑物整體垂直度不滿足規(guī)范要求[7]。

4)原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)抗剪承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 工程整改及加固與加層措施

4.1 工程整改

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和測(cè)量結(jié)果及軟件分析結(jié)果，針對(duì)框架原結(jié)構(gòu)存在的缺陷及不足，提出以下整改意見(jiàn):

1)施工單位對(duì)框架結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行排查，糾正或調(diào)整彎曲桿件。

2)對(duì)螺栓、焊縫進(jìn)行排查，增補(bǔ)缺失螺釘、更換銹蝕嚴(yán)重螺栓、螺栓強(qiáng)度不足處進(jìn)行焊縫補(bǔ)強(qiáng)。

3)必須按照先加固后加層的施工順序進(jìn)行施工。

4)加固前應(yīng)進(jìn)行除銹處理，處理后的構(gòu)件各項(xiàng)參數(shù)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 抗震加固與加層措施

箱形截面(見(jiàn)圖4)。

4)梁柱連接由原設(shè)計(jì)螺栓連接變?yōu)榛旌线B接(螺栓連接+焊縫連接)(見(jiàn)圖5)，并在梁下翼緣增設(shè)梯形連接板補(bǔ)強(qiáng)(如圖4，圖5所示)。

5)次梁與二次次梁連接采用高強(qiáng)螺栓連接。

6)原柱與新柱連接采用焊接方式(見(jiàn)圖6)。

經(jīng)過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)的詳細(xì)復(fù)核計(jì)算分析，在原結(jié)構(gòu)無(wú)荷載作用的情況下仍有若干構(gòu)件應(yīng)力偏高，考慮到現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的缺陷，建議對(duì)這些桿件采取合理有效的加固補(bǔ)強(qiáng)措施，以提高框架結(jié)構(gòu)加層后的安全儲(chǔ)備。

通過(guò)軟件分析及《規(guī)范》[5]對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后的加層處理，具體加固與加層措施如下:

1)原有基礎(chǔ)采用增大截面法進(jìn)行加固。

2)框架柱采用加大截面法加固，由原設(shè)計(jì)焊接H形截面變?yōu)?/p>

4.3 加固加層效果

對(duì)原框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固加層處理，會(huì)影響框架的剛度分布，從而使得框架構(gòu)件之間的內(nèi)力分布發(fā)生變化，故對(duì)桿件加固加層后的框架進(jìn)行了再次計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明:

1)新結(jié)構(gòu)梁柱支撐強(qiáng)度均滿足要求。

2)截面增大后，柱的平面內(nèi)及平面外穩(wěn)定性達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3)通過(guò)對(duì)新舊兩個(gè)結(jié)構(gòu)的模型分析，可知支撐在結(jié)構(gòu)地震穩(wěn)定性方面起著不容忽視的作用，隨意拆除可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，補(bǔ)全拆除的支撐后結(jié)構(gòu)成為扭轉(zhuǎn)規(guī)則體系。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本文主要針對(duì)某單跨框架支撐結(jié)構(gòu)工程在加固施工前存在的損傷和缺陷問(wèn)題進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和有限元計(jì)算復(fù)核，并提出了后期施工的監(jiān)測(cè)方案;

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況和有限元計(jì)算分析結(jié)果，提出了工程整改和結(jié)構(gòu)加固、加層的建議和措施;

3)對(duì)整改和加固、加層后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了二次計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明該框架結(jié)構(gòu)在整改和加固、加層后能夠滿足正常使用和承載力極限狀態(tài)的變形與應(yīng)力要求，驗(yàn)證了加固措施的有效性。

[1] 邸小壇，周 燕.舊建筑物的檢測(cè)加固與維護(hù)[M].北京:地震出版社，1992.

[2] 張 鑫，李安起，趙考重.建筑結(jié)構(gòu)鑒定與加固改造技術(shù)的進(jìn)展[A].第19屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅰ冊(cè))[C].2010.

[3] 王孔藩.力學(xué)在建筑結(jié)構(gòu)診斷、加固中的廣義延拓——展望21世紀(jì)學(xué)科的成績(jī)[A].建筑物鑒定與加固改造——第五屆全國(guó)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].汕頭:汕頭大學(xué)出版社，2000.

[4] 郅倫海，周會(huì)平.淺談建筑結(jié)構(gòu)加固的鑒定與加固[J].國(guó)外建材科技，2006，27(1):54-56.

[5] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] GB 50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[7] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8] GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9] GB 50144-2008，工業(yè)建筑可靠性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[S].