臧 宇 張燕莉 金國芳

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092)

1 引言

管架結(jié)構(gòu)是生產(chǎn)企業(yè)常見的一種構(gòu)筑物，用以支承架空設(shè)置的管道，具有面多量廣、形式復(fù)雜多樣的特點。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，企業(yè)經(jīng)常遇到技術(shù)工藝改造、增加產(chǎn)能等情況［1］，如果盲目地在現(xiàn)有管架上增設(shè)管道，會導(dǎo)致使用荷載超過原設(shè)計荷載，從而影響管道支架的正常使用和結(jié)構(gòu)安全。

某企業(yè)的綜合管架始建于2005年，實際使用中，因生產(chǎn)需要，陸續(xù)在管架的不同部位增設(shè)了大小不等、介質(zhì)各異、工況各異的若干根管道，綜合管架上荷載增加較多，以致綜合管架的鋼柱傾斜，基礎(chǔ)混凝土開裂受損。為此，為確保該綜合管架的結(jié)構(gòu)安全和正常使用，需對綜合管架進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定和加固。

本文根據(jù)對綜合管架的現(xiàn)場檢測結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計算分析，對抗震承載力驗算不滿足抗震鑒定要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，給出了相應(yīng)的抗震加固方案，并分析了綜合管架受損的原因。

2 工程概況

綜合管架采用鋼結(jié)構(gòu)，長度約400 m，圖1為綜合管架平面位置示意圖。綜合管架采用門形雙層管架(圖2)，局部現(xiàn)狀見圖3。沿綜合管架縱向，在管架柱之間設(shè)置縱梁或跨度較大的桁架，構(gòu)成空間體系。

圖1 綜合管架平面布置示意圖Fig．1 Arrangement diagram of integrated pipe rack

圖2 門形雙層管架Fig．2 Portal pipe rack of double-decker

圖3 綜合管架局部現(xiàn)狀Fig．3 Photos of parts of integrated pipe rack

0－T軸管架柱采用樁基礎(chǔ)，其余管架柱采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。本工程基本風(fēng)壓為0．50 kN/m2，B類地面粗糙度?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0．10 g，場地類別為Ⅳ類，場地特征周期為0．65 s。

3 現(xiàn)場調(diào)查檢測

3．1 基礎(chǔ)現(xiàn)場檢測

檢測結(jié)果表明:基礎(chǔ)尺寸與原設(shè)計圖紙吻合，基礎(chǔ)混凝土施工質(zhì)量較好，混凝土強度均達(dá)到原設(shè)計值(C30)。部分基礎(chǔ)混凝土開裂受損(詳見本文3．4節(jié)受損情況調(diào)查)。

3．2 管架現(xiàn)場檢測

檢測結(jié)果表明:綜合管架的鋼構(gòu)件尺寸與原設(shè)計圖紙基本吻合，構(gòu)件間的焊接和螺栓連接質(zhì)量較好，鋼材強度均達(dá)到原設(shè)計等級(Q235)。

3．3 管道設(shè)置情況調(diào)查

原設(shè)計綜合管架上放置4根管道及2組電纜橋架。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查檢測，大部分管架上的管道數(shù)量從原設(shè)計的4根增加到11根至21根不等，增設(shè)的管道直徑不等，管道內(nèi)的介質(zhì)各不相同。

3．4 受損情況調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，綜合管架主要的受損情況是:部分基礎(chǔ)混凝土開裂受損，1/01軸和④軸基礎(chǔ)混凝土開裂受損的現(xiàn)狀見圖4。除上述外，綜合管架其余結(jié)構(gòu)構(gòu)件均完好無損。

3．5 綜合管架鋼柱傾斜測量、沉降觀測及調(diào)查

圖4 部分基礎(chǔ)混凝土開裂受損情況Fig．4 Photos of damaged foundation

采用經(jīng)緯儀對綜合管架鋼柱進(jìn)行傾斜觀測，測量結(jié)果表明，除了0軸(傾斜率11．8‰)和1/01軸(傾斜率10．8‰)的綜合管架鋼柱傾斜較大外，其余鋼柱的傾斜率約為2‰。綜合管架鋼柱傾斜測量部分結(jié)果詳見圖5，圖中傾斜值包括綜合管架原施工的垂直度誤差在內(nèi)。

采用水準(zhǔn)儀對管架鋼柱進(jìn)行沉降觀測，測量結(jié)果表明，采用樁基的0軸鋼柱沉降較小，沉降值為36 mm，沒有采用樁基的鋼柱沉降較大，最大沉降為222 mm(⑤軸)，其次1/01軸為160 mm。

4 綜合管架結(jié)構(gòu)荷載和地震作用計算

管架結(jié)構(gòu)一般以一個溫度區(qū)段作為一個計算單元，現(xiàn)將0－⑥軸溫度區(qū)段(荷載大、綜合管架傾斜較大及基礎(chǔ)混凝土開裂受損的區(qū)段，圖6為立面圖)綜合管架的結(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

根據(jù)文獻(xiàn)［2］可知綜合管架承受管道永久荷載、可變荷載和水平荷載，列于表1。

圖5 綜合管架部分鋼柱傾斜測量結(jié)果(0、1/01軸)Fig．5 Inclination measurement results of some columns of integrated pipe rack(0 and 1/01 axis)

圖6 0～6軸綜合管架立面圖Fig．6 Elevation of integrated pipe rack from 0 to 6 axis

4．1 永久荷載(垂直荷載)

綜合管架橫梁所受的垂直荷載實際上均為集中荷載，但是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對于小直徑管道(通徑DN＜400 mm的管道)，緊湊地分布在橫梁上，當(dāng)管道數(shù)量超過3根時，可以按文獻(xiàn)［3］中表5-42所示的方法將集中荷載簡化成均布荷載考慮。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查檢測所得0－⑥軸綜合管架管道設(shè)置的現(xiàn)狀，可以計算出作用于綜合管架橫梁上的垂直荷載，見表2。

4．2 可變荷載(垂直荷載)

平臺和走道板上的活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2．0 kN/m2;設(shè)計不考慮冰雪荷載;管徑大于300 mm的管道，考慮標(biāo)準(zhǔn)值為0．2 kN/m2的積灰荷載。

表1 綜合管架荷載分類Table 1 Load classification of integrated pipe rack

表2 橫梁所受垂直荷載標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Standard value of vertical load on beam

4．3 縱向水平可變荷載

根據(jù)文獻(xiàn)［2］可知，綜合管架橫梁上的水平推力包括以下數(shù)值:

(1)管道補償器的彈性力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fb，kN;

(2)關(guān)閉閥門時，管道的閥門、彎管及盲板等由介質(zhì)產(chǎn)生的內(nèi)壓力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fn，kN;

(3)管道變形時，管道與橫梁之間發(fā)生相對位移，產(chǎn)生的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值∑Fm，kN。

由管道專業(yè)計算提供∑Fb和∑Fn，摩擦力Fm按下式計算:

式中，Kq為牽制系數(shù);G為管道垂直荷載;μ為摩擦系數(shù)。

4．4 風(fēng)荷載計算

按文獻(xiàn)［3］中5．2．4條所示的方法，單層多管風(fēng)荷載和多層多管風(fēng)荷載計算分別為

式中，ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);μ0為整體計算體形系數(shù)，當(dāng) μzω0D2≥ 0．015時，μ0=1．0;當(dāng) μzω0D2≤ 0．015 時，μ0=2．0，中間值按插值法計算;ω0為基本風(fēng)壓;l為管道跨度(若管架兩側(cè)的跨度不等時，取平均值);μsi為風(fēng)荷載體型系數(shù);ωki為第i層風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;μ'i為上下層之間影響系數(shù)，按S/D由圖7查找;Di為管道保溫后外徑;Si最大管之間凈距。

圖7 多層多管層間影響系數(shù)Fig．7 Influence coefficient curve

管架風(fēng)荷載可按下式計算:

式中，ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m);βz為高度z處的風(fēng)振系數(shù);μs為管架風(fēng)荷載體型系數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù);ω0為基本風(fēng)壓(kN/m2);b為迎風(fēng)面的管架梁高或柱尺寸。

4．5 地震作用計算

管道集中布置在綜合管架上部，根據(jù)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50191—2012)［4］規(guī)定，管架采用近似于單質(zhì)點體系的結(jié)構(gòu)，故對于敷設(shè)單層或多層管道的管架結(jié)構(gòu)，其抗震計算宜采用底部剪力法。

5 綜合管架結(jié)構(gòu)承載力有限元分析

根據(jù)原施工圖和現(xiàn)場檢測結(jié)果，采用有限元軟件SAP2000等并與手算相結(jié)合的方法對綜合管架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算分析，0－⑥軸綜合管架SAP2000計算模型示意圖見圖8。

5．1 地基基礎(chǔ)驗算

綜合管架柱采用外露式柱腳與基礎(chǔ)剛接或鉸接，柱腳設(shè)置抗剪鍵抵抗水平力，根據(jù)文獻(xiàn)［5］提供的簡化計算方法，假定柱腳底板與基礎(chǔ)接觸面的壓應(yīng)力呈直線分布，最大壓應(yīng)力按下式計算:

圖8 SAP2000模型示意圖Fig．8 Diagram of model in SAP2000

式中，N為柱腳底面的軸向力;Mx，My分別為柱腳底面繞x軸和y軸的彎矩;Wx，Wy分別為柱腳底板對x軸和y軸的截面模量。

在最不利的荷載組合下，各軸柱底軸力N、彎矩M和柱腳底板與基礎(chǔ)接觸面的最大壓應(yīng)力σmax計算結(jié)果見表3。

表3 柱腳底面反力和接觸面最大壓應(yīng)力Table 3 Reaction force on bottom of columns and maximum compressive stress on contact surface

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)［6］驗算柱腳底板與基礎(chǔ)接觸面處混凝土的局部受壓承載力，結(jié)果表明，1/01軸柱基礎(chǔ)局部受壓承載力不滿足規(guī)范要求。

對綜合管架地基基礎(chǔ)承載力進(jìn)行驗算，結(jié)果表明，除1/01軸柱下基礎(chǔ)局部受壓承載力不足外，其余均滿足規(guī)范［7］要求。

5．2 上部鋼結(jié)構(gòu)驗算

綜合管架柱除承受垂直荷載外，還同時受到縱向和橫向水平荷載作用，為雙向受力構(gòu)件，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)［8］中的壓彎構(gòu)件驗算承載力。驗算結(jié)果表明，綜合管架柱的承載力滿足規(guī)范要求。

綜合管架橫梁受到管道的垂直荷載和水平荷載，為雙向受彎構(gòu)件，按文獻(xiàn)［8］中4．2．3條的要求，按下式驗算橫梁的整體穩(wěn)定性:

式中，φb為繞強軸彎曲所確定的梁整體穩(wěn)定系數(shù);γy為截面塑性發(fā)展系數(shù)。

驗算結(jié)果表明，綜合管架橫梁的承載力滿足規(guī)范要求。

綜合管架縱梁、桁架、支撐和連接節(jié)點經(jīng)過驗算，承載力滿足規(guī)范［8］要求。

6 鋼柱傾斜、基礎(chǔ)混凝土開裂受損原因分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查檢測和結(jié)構(gòu)計算分析，綜合管架部分鋼柱傾斜、基礎(chǔ)混凝土開裂受損的主要原因分析如下:

(1)綜合管架很長，各段鋼柱的基礎(chǔ)類型不一(柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)、樁基)，致使綜合管架建造初期部分鋼柱產(chǎn)生不同程度的沉降，特別是相鄰的基礎(chǔ)類型不同的鋼柱就存在不均勻沉降。同時，在實際使用中，因生產(chǎn)發(fā)展需要，在綜合管架的不同部位陸續(xù)增加了大小不等的多根管道，局部使用荷載的增加，加劇了這些鋼柱的不均勻沉降。

(2)基礎(chǔ)混凝土開裂受損，主要原因為1/01軸、①軸、③軸和④軸處的綜合管架跨度較大，且新增管道數(shù)量較多，荷載增加較大。經(jīng)驗算，1/01軸基礎(chǔ)局部受壓承載力不足，①軸、③軸和④軸柱腳底板與基礎(chǔ)接觸面的最大壓應(yīng)力較大，已接近混凝土局部承壓強度。這些部位的基礎(chǔ)混凝土開裂受損是由于基礎(chǔ)局部受壓承載力不足所致。

此外，部分混凝土基礎(chǔ)開裂是發(fā)生在二次灌漿與第一次澆灌的混凝土之間粘結(jié)不佳所致。

(3)上述的這些不均勻沉降以及基礎(chǔ)局部受壓不足致使該處的鋼柱傾斜、基礎(chǔ)混凝土開裂受損。1/01軸、0軸鋼柱傾斜原因具體如下:

1/01軸荷載大于0軸，且1/01軸采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，0軸采用樁基，造成1/01軸沉降大于0軸，二者產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致鋼柱向1/01軸傾斜。

(4)開裂受損的混凝土基礎(chǔ)(未及時修補處理)，長年使用中受環(huán)境影響，其開裂受損情況有所加劇。

7 結(jié)構(gòu)加固處理方案

(1)在1/01軸、①軸原鋼柱邊各增設(shè)2根鋼柱GZ1進(jìn)行加固，2根 GZ1間設(shè)置交叉支撐GZC1，在①－②軸柱間增設(shè)縱向交叉支撐GZC2，交叉支撐在交叉點應(yīng)設(shè)節(jié)點板，具體位置見圖9。

圖9 加固構(gòu)件位置圖Fig．9 Position of the strengthening members

(2)2根GZ1下設(shè)置鋼筋混凝土基礎(chǔ)。如果新增基礎(chǔ)與原柱下基礎(chǔ)相碰，則新老基礎(chǔ)組成聯(lián)合基礎(chǔ)，將新基礎(chǔ)的鋼筋植入老基礎(chǔ)中，并將老基礎(chǔ)的交接面鑿毛、沖洗干凈，再澆筑混凝土。

(3)部分鋼柱基礎(chǔ)混凝土開裂受損的處理:

①鑿除開裂受損的混凝土，鑿至混凝土密實處，保留原有鋼筋。

②老混凝土界面必須鑿毛，并鑿成凹凸面，凹凸面深度不得小于4 mm，用鋼刷將混凝土碎塊、浮渣灰等清除干凈。將原有混凝土表面沖洗干凈，再用新鮮425號水泥漿涂刷表面。

③澆筑(抹壓)強度等級為C35的細(xì)石混凝土，充分養(yǎng)護(hù)混凝土。

④施工中必須輕敲輕鑿，不得損傷原結(jié)構(gòu)。

(4)鋼筋外露銹蝕的處理:

①先將腐蝕部分的混凝土(銹蝕鋼筋處)鑿掉，并清理至密實處。

②鋼筋除銹后涂刷防護(hù)層。

③抹壓環(huán)氧水泥砂漿。

(5)考慮到局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件已作臨時加固處理，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可考慮臨時加固措施能否作為永久結(jié)構(gòu)加固措施。

8 結(jié)語

通過對該受損的綜合管架的現(xiàn)場檢測和結(jié)構(gòu)驗算可知:

(1)對于較長的綜合管架，應(yīng)重視鋼柱基礎(chǔ)的設(shè)計，避免基礎(chǔ)類型不一等因素致使綜合管架產(chǎn)生不均勻沉降。

(2)施工中應(yīng)確?；A(chǔ)混凝土二次灌漿的施工質(zhì)量。

(3)使用中，若生產(chǎn)發(fā)展需增設(shè)管道，應(yīng)先結(jié)構(gòu)驗算，評定其是否可行。不能盲目增加管道，增加各類荷載。

［1］ 王成樵，冷超群，金立贊．某綜合管廊加層改造前檢測評估［J］．鋼結(jié)構(gòu)，2008，23(8):52-54．Wang Chengqiao，Leng Chaoqun，Jin Lizan．Detection and evaluation of a compositive pipe gallery before storey-adding reconstruction［J］．Steel Construction，2008，23(8):52-54．(in Chinese)

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