種道坦 李新泰

(山東省建筑科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250031)

0 引言

門式剛架結(jié)構(gòu)以其用鋼量少、重量輕、造價低、安裝方便、土建施工量小等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。因該結(jié)構(gòu)施工過程中盲目減小鋼構(gòu)件截面尺寸、施工質(zhì)量差，使得該結(jié)構(gòu)類型安全儲備偏低，抵抗風(fēng)載雪災(zāi)等偶然荷載的能力較差［1］。應(yīng)嚴(yán)格遵守建設(shè)規(guī)律，確保結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)的安全。

1 工程概況

該工程為單層單跨雙坡輕型門式剛架結(jié)構(gòu)，建筑高度約為11．7 m，建筑長度約為78 m，建筑寬度約為30 m，建筑面積約為2 340 m2，屋面為彩鋼板屋面，1．2 m標(biāo)高以下圍護(hù)結(jié)構(gòu)為砌體結(jié)構(gòu)，1．2 m標(biāo)高以上圍護(hù)結(jié)構(gòu)為彩鋼板，柱列間距均為6．0 m，跨度為30．0 m，平面布置示意圖見圖1?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。該工程屋面橫向水平支撐布置于②軸～③軸間、?軸～?軸間，各為四道“X”形圓鋼;柱間支撐分別布置于縱向柱列上的②軸～③軸間、?軸～?軸間;屋面檁條共布置22道，檁條間距為1．5 m，檁條中點(diǎn)處采用一道拉條拉結(jié)，屋面拉條端部及屋脊處未設(shè)置斜拉條及剛性撐桿、局部屋面直拉條未設(shè)置;屋面系桿僅通長布置于邊柱柱頂，屋脊處未布置屋面剛性系桿;該工程未設(shè)置隅撐。墻梁沿高度方向共設(shè)置7道，山墻抗風(fēng)柱間墻面局部增設(shè)一道墻梁，墻梁間均未設(shè)置墻面拉條。

圖1 某輕鋼廠房平面布置示意圖

2 現(xiàn)場檢測

2．1 鋼柱垂直度

依據(jù)CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012版)第8．2．8條規(guī)定:“柱軸線垂直度單層柱≤10 m時，允許偏差為10 mm，＞10 m時，允許偏差為20 mm。”現(xiàn)場對該鋼結(jié)構(gòu)車間鋼柱垂直度進(jìn)行了隨機(jī)抽查檢測。結(jié)果表明，該工程所檢鋼柱的垂直度符合規(guī)范的要求。

2．2 構(gòu)件尺寸及連接

鋼柱截面尺寸為H500×250 mm×8 mm×10 mm;各段鋼梁截面尺寸為 H(670～350)×175 mm×6 mm×9 mm，H350×175 mm×6 mm×9 mm，H(350～670)×175 mm ×6 mm ×9 mm;抗風(fēng)柱截面尺寸為H300×150 mm×6 mm×8 mm;屋面水平支撐及柱間支撐截面尺寸為φ20鋼筋;屋面系桿截面尺寸為φ88 mm×3．0 mm鋼管;屋面檁條截面尺寸為 C140×50 mm×20 mm×2．5 mm冷彎薄壁型鋼;屋面拉條截面尺寸為φ10圓鋼。

該工程所檢剛架梁柱及梁梁節(jié)點(diǎn)均采用端板豎放的連接形式，梁柱節(jié)點(diǎn)由10M20高強(qiáng)螺栓連接，除屋脊處梁梁節(jié)點(diǎn)由10M20高強(qiáng)螺栓連接外，其余梁梁節(jié)點(diǎn)均由8M20高強(qiáng)螺栓連接;剛架柱腳螺栓為4M24螺栓，抗風(fēng)柱柱腳螺栓為4M24螺栓，柱腳螺栓螺母數(shù)量均為單螺母。

2．3 焊縫質(zhì)量

依據(jù)GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范和GB 11345-1989鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級，現(xiàn)場隨機(jī)抽取部分鋼構(gòu)件的焊縫對其外觀質(zhì)量進(jìn)行檢測，焊縫較飽滿，并現(xiàn)場對鋼構(gòu)件焊縫進(jìn)行了超聲波探傷隨機(jī)抽查檢測［2］。經(jīng)檢測，現(xiàn)場所檢鋼構(gòu)件焊縫的內(nèi)部缺陷評定等級符合質(zhì)量等級二級的要求。

2．4 高強(qiáng)螺栓施工扭矩檢驗(yàn)

依據(jù)GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范采用扭矩檢驗(yàn)法對節(jié)點(diǎn)連接處高強(qiáng)螺栓的終擰扭矩進(jìn)行檢測，得到高強(qiáng)螺栓終擰扭矩的實(shí)測值。經(jīng)檢測，所檢節(jié)點(diǎn)連接處高強(qiáng)螺栓的終擰扭矩實(shí)測值與施工扭矩值的偏差為7．5%～22．4%，部分節(jié)點(diǎn)連接處高強(qiáng)螺栓的終擰扭矩不符合GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范附錄B．0．3中規(guī)定實(shí)測扭矩值與施工扭矩值的偏差在10%以內(nèi)的要求［3］。

2．5 現(xiàn)場檢測分析

該工程支撐體系布置檢查中發(fā)現(xiàn)以下與CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012版)要求不符之處:未設(shè)置屋面隅撐;屋面拉條端部及屋脊處未設(shè)置斜拉條及剛性撐桿;柱間支撐布置間距為54 m(超出30 m～45 m范圍);屋蓋橫向支撐在第一開間的相應(yīng)位置未設(shè)置剛性系桿;屋脊處未布置屋面剛性系桿;未設(shè)置墻面拉條及斜拉條;構(gòu)件表面涂層局部脫落，鋼構(gòu)件部分銹蝕。

3 復(fù)核驗(yàn)算

3．1 荷載取值

該工程屋面采用彩色鋼板，屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0．20 kN/m2，屋面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012 版)中3．2．2 條規(guī)定［4］取0．3 kN/m2，屋面檁條活荷載按 0．50 kN/m2，基本風(fēng)壓按 0．40 kN/m2，基本雪壓按0．30 kN/m2取值。

3．2 驗(yàn)算條件及結(jié)果

依據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范、GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012版)進(jìn)行驗(yàn)算。該工程按7度(地震加速度0．15g)第一組進(jìn)行抗震設(shè)防，場地土類別按Ⅲ類。驗(yàn)算時結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件尺寸按實(shí)測值，主剛架鋼材牌號按Q235取值，其他鋼材按Q235取值。所有的結(jié)構(gòu)布置按現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，由計(jì)算機(jī)形成該工程的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)算。

剛架柱強(qiáng)度效應(yīng)與抗力之比大于1．0，平面內(nèi)外穩(wěn)定效應(yīng)與抗力之比大于1．0，各段鋼梁強(qiáng)度效應(yīng)與抗力之比大于1．0，除屋脊兩側(cè)兩段鋼梁外，其余梁端平面內(nèi)外穩(wěn)定效應(yīng)與抗力之比大于1．0(見圖2)，抗風(fēng)柱平面內(nèi)長細(xì)比大于180，檁條強(qiáng)度效應(yīng)與抗力之比大于1．0、撓度超過規(guī)范限值，不滿足CECS 102∶2002(2012版)規(guī)范的要求。梁柱節(jié)點(diǎn)的螺栓數(shù)量不滿足使用和CECS 102∶2002(2012版)的要求。

圖2 剛架柱梁應(yīng)力比圖（半跨）

4 加固方案選取及分析

因剛架柱梁應(yīng)力比均大于1．0，抗風(fēng)柱平面內(nèi)長細(xì)比大于180，檁條強(qiáng)度效應(yīng)與抗力之比大于1．0、撓度超過規(guī)范限值，需要進(jìn)行加固處理。

對于主體剛架柱，宜采用加大截面法，具體加固方案有:外包混凝土增大截面和外焊鋼板(型鋼)增大截面。由于前者需要在型鋼柱周圍設(shè)置模板，澆筑混凝土以增大截面來提高承載能力。但由于施工程序復(fù)雜、周期長、邊柱無法架設(shè)模板、影響生產(chǎn)等因素，造成該加固方案并非最優(yōu)方案，并且柱外澆筑混凝土后形成組合構(gòu)件，結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化。外焊鋼板(型鋼)原構(gòu)件的連接可采用焊接、螺栓連接、鉚接等，該方案有利于施工，施工周期短，可明顯提高鋼柱承載能力及剛度［5］。因鋼柱外焊鋼板需要切割鋼板，現(xiàn)場切割工作量較大，宜采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的型鋼。

根據(jù)式(1)［6］，鋼柱采用外焊接槽鋼［24進(jìn)行加固處理，其中平面外穩(wěn)定通過減少鋼柱平面外計(jì)算長度處理(在5．0 m標(biāo)高處沿縱向柱列及山墻柱間設(shè)置柱間水平支撐(φ114×3．0鋼管)，端部采用2M16螺栓連接)。

式中:Wnx——加固后整個構(gòu)件的凈截面抵抗矩;

An1——加固件的凈截面面積;

k——加固折減系數(shù)，偏心受力構(gòu)件及受彎構(gòu)件取0．9。

剛架梁通常采用增大截面尺寸的方法進(jìn)行加固，一般采用外焊鋼板或利用鋼板增大梁高的辦法提高梁的承載能力和剛度。前者對于提高梁承載能力和剛度的幅度不如后者明顯，但后者影響房屋凈空而可能受限制。根據(jù)式(2)［6］，本工程采用的加固處理方式為:沿鋼梁全長在上翼板下側(cè)及下翼板上側(cè)的腹板兩側(cè)分別與腹板及翼板焊接L75×8角鋼，采用角焊縫，焊角尺寸為6mm(如圖3所示)。

式中:φx——加固后構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);

βmx——等效彎矩系數(shù);

NEx——加固后構(gòu)件的歐拉臨界力，NEx= π2E(A0+A1)/λ2x。

屋面檁條的加固可采取檁條間均勻增加一道檁條及檁條槽口對槽口連接的加固方案。前者增設(shè)檁條及隅撐后可有效減少檁條受荷面積，隅撐、檁托數(shù)量相應(yīng)增加，后者雙檁條受荷面積、隅撐及檁條數(shù)量沒有增加。本工程采用的加固方式為:新增屋面檁條上部用自攻螺釘與屋面板連接，端部采用2M12螺栓與鋼梁檁托板連接，自攻螺釘及檁托板形式與原有自攻螺釘及檁托板相同(見圖4)。

圖3 剛架梁加固方案

圖4 屋面檁條加固方案

梁柱節(jié)點(diǎn)及梁梁節(jié)點(diǎn)的加固方案可采取栓焊連接、增設(shè)加勁肋、更換螺栓直徑等方式。在節(jié)點(diǎn)圍焊現(xiàn)場施工不便，焊接質(zhì)量不容易保證。增設(shè)加勁肋受構(gòu)件截面形狀限制。本工程采用的加固方案為:采用機(jī)械擴(kuò)孔的方式將中和軸以上的所有M20高強(qiáng)螺栓孔擴(kuò)成M24高強(qiáng)螺栓孔(孔徑為26 mm)，并更換成10．9級M24高強(qiáng)螺栓(見圖5，圖6)。

圖5 梁梁節(jié)點(diǎn)處理方案

圖6 梁柱節(jié)點(diǎn)處理方案

5 處理措施和建議

針對該工程存在的問題，為保證結(jié)構(gòu)的安全和整體穩(wěn)定，除上述加固及處理措施外，提出以下處理措施和建議:

1)增設(shè)屋面隅撐，對應(yīng)每道屋面檁條位置均布置一對屋面隅撐，屋面隅撐采用L50×5．0 mm等邊角鋼，端部采用M12螺栓與鋼梁及屋面檁條連接;

2)屋面拉條端部及屋脊處增設(shè)斜拉條(φ12圓鋼)及剛性撐桿(φ32 ×3．0 mm 鋼管);

3)柱間支撐應(yīng)采用φ20圓鋼雙層設(shè)置，⑦軸～⑧軸間增設(shè)柱間支撐(φ20圓鋼雙層設(shè)置)以及屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。屋蓋橫向支撐應(yīng)采用φ20圓鋼，形式同②軸～③軸及?軸～?軸間屋蓋橫向支撐;

4)屋脊處應(yīng)全長增設(shè)屋面剛性系桿，屋蓋橫向支撐間增設(shè)屋面剛性系桿，并在第一開間中相對應(yīng)于第二開間屋蓋橫向支撐位置增設(shè)屋面剛性系桿。增設(shè)的屋面剛性系桿均采用φ114×3．0 mm鋼管，端部采用2M16螺栓連接;

5)縱向柱列墻梁中點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置墻面拉條(φ12圓鋼)，山墻墻梁三分點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置墻面拉條(φ12圓鋼)，在最上層墻梁處應(yīng)設(shè)斜拉條(φ12圓鋼)及剛性撐桿(φ32×3．0 mm鋼管);

6)在5．0 m標(biāo)高處沿縱向柱列及山墻柱間設(shè)置柱間水平支撐(φ114×3．0 mm鋼管)，端部采用2M16螺栓連接;

7)柱腳螺栓均增設(shè)一個止退螺母，形成雙螺母;

8)重新施擰節(jié)點(diǎn)高強(qiáng)螺栓，使之達(dá)到驗(yàn)收規(guī)范要求;

9)構(gòu)件表面涂層脫落及銹蝕處重新涂刷防腐涂料，涂層干漆膜的總厚度應(yīng)達(dá)到125μm。

6 結(jié)語

1)門式輕鋼結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)載雪災(zāi)等偶然荷載的能力較差，安全儲備低，不應(yīng)盲目減少構(gòu)件截面尺寸，給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。

2)施工質(zhì)量影響門式剛架結(jié)構(gòu)剛度的形成和強(qiáng)弱，應(yīng)加強(qiáng)施工監(jiān)管，確保施工過程中及使用階段能形成穩(wěn)定的空間體系。

3)鋼結(jié)構(gòu)加固方案的選擇應(yīng)考慮施工程序程度、結(jié)構(gòu)使用限制、經(jīng)濟(jì)性分析、滿足承載能力和剛度要求等方面。本文采用的加固方案已用于多個工程，目前使用狀況良好。

［1］陳友泉，魏潮文．門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工疑難問題釋義［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009:142-152．

［2］GB 11345-1989，鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級［S］．

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

［4］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(2012版)［S］．

［5］賀 劍．門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房的鑒定與加固方法研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008:52-54．

［6］YB 9257-96，鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程［S］．