郭晶晶,陳 琛,潘宇翔,孫鵬程
(1.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014;2.南京創(chuàng)安結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司,江蘇 南京 210000)
高速公路收費(fèi)站雨棚一般造型獨(dú)特,特點(diǎn)鮮明,不僅成為城區(qū)與高速公路連通的“咽喉”,甚至承擔(dān)著該座城市的門面。作為城市形象的名片,其第一印象往往會引起較大的社會關(guān)注與反響。收費(fèi)雨棚一般采用外露鋼結(jié)構(gòu)形式,由于在維護(hù)時(shí)不能中斷交通,因此多數(shù)收費(fèi)站雨棚往往無法正常保養(yǎng),造成了鋼結(jié)構(gòu)銹蝕較為明顯,嚴(yán)重的還會對主體結(jié)構(gòu)造成較大的安全隱患。
某高速收費(fèi)站主體結(jié)構(gòu)體系采用預(yù)應(yīng)力拉索鋼結(jié)構(gòu)體系,屋面呈彎曲葉片狀,屋面為雙向 H 型鋼組成的空間體系,柱中跨度為 26.7 m,懸挑長度最大為 11.0 m。結(jié)構(gòu)一端采用三角形變截面格構(gòu)柱支承,另一端采用兩根四肢變截面梭形柱通過 12 根預(yù)應(yīng)力拉索將屋面與伸出屋面約 9.5 m 的兩根柱頂進(jìn)行斜拉。收費(fèi)站原始面貌圖如圖1 所示。
圖1 收費(fèi)站原始面貌圖
圖2 收費(fèi)站結(jié)構(gòu)平面布置圖(單位:mm)
收費(fèi)站于 2005 年建成通車。格構(gòu)柱鋼柱采用鋼管相貫焊接,且為坡口對接焊縫,屋面 H 型鋼采用高強(qiáng)螺栓和焊接結(jié)合形成剛性連接,格構(gòu)柱柱腳剛接(如圖2 柱 1 位置),梭形柱柱腳鉸接(如圖2 柱 2 位置)。收費(fèi)站結(jié)構(gòu)整體平面布置圖如圖2 所示。
加固方案需要有一個(gè)整體思路來引導(dǎo),不能只著重于構(gòu)件的層次。鋼結(jié)構(gòu)的連接在工程中有非常重要的作用,鋼結(jié)構(gòu)連接的好壞會直接影響鋼結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量和安全[1]。針對本項(xiàng)目,需要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題。
1)由于收費(fèi)站年久失修,存在工程質(zhì)量問題較多,主要包括鋼結(jié)構(gòu)表面部分油漆脫落,局部關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)銹蝕嚴(yán)重;屋面結(jié)構(gòu)部分存在滲水、焊縫缺陷等現(xiàn)象,部分主要構(gòu)件甚至并未焊透;柱底鋼管與空心球焊縫存在明顯缺陷;懸挑部分拉索松弛現(xiàn)象較為嚴(yán)重,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差;檢測出的拉索索力已不符合設(shè)計(jì)值導(dǎo)致柱頂位移過大。
2)由于柱底鋼管與空心球焊縫存在較為明顯的缺陷,底部銹蝕較為嚴(yán)重,加之遭遇冰凍災(zāi)害,導(dǎo)致梭形柱柱底與焊接球焊縫全截面脆斷,也是本項(xiàng)目中最為棘手的問題。由于原受力點(diǎn)位置負(fù)荷較大,關(guān)鍵桿件及節(jié)點(diǎn)破壞后內(nèi)力重分布后情況不明,隨時(shí)可能導(dǎo)致二次破壞甚至倒塌。柱底破壞病害圖如圖3 及圖4 所示。
圖3 柱肢底部銹蝕嚴(yán)重
圖4 柱底相貫焊縫通長斷裂
3)結(jié)構(gòu)發(fā)生病害后一直處于受力狀態(tài),雖然靜止?fàn)顟B(tài)下暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài),但由于結(jié)構(gòu)自重較輕,對風(fēng)荷載敏感,抗側(cè)水平剛度不夠,部分拉索松弛失效,很容易發(fā)生傾覆現(xiàn)象。
針對以上關(guān)鍵問題,結(jié)合房屋安全監(jiān)測報(bào)告數(shù)據(jù),分析認(rèn)為:懸挑部分整體性差、柱頂水平位移較大等問題可通過修復(fù)屋面缺陷以及對索進(jìn)行再張拉得到修復(fù)或改善。而梭形柱鋼管焊縫通長斷裂后,鋼柱仍處于原位,斷口處未見明顯相對位移(見圖4),屋面以下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,位移不明顯。進(jìn)而提出以下加固思路:首先對屋面及屋面以上結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行處理,加強(qiáng)其剛度和整體性;再對柱底焊縫缺陷進(jìn)行處理,從而完成對整體結(jié)構(gòu)的加固。
按照以上思路,根據(jù)方案按實(shí)施的先后順序制定了以下幾個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)。
①按現(xiàn)場勘測情況對主體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)建模計(jì)算,為加固方案提供數(shù)據(jù)支持;②對屋面鋼結(jié)構(gòu)其他次要部位焊縫缺陷進(jìn)行處理;③解決鋼柱滲水銹蝕問題;④對屋面拉索進(jìn)行再張拉,解決鋼索松弛的問題;⑤解決柱底鋼管與空心球間焊縫缺陷的問題;⑥處理屋面滲水的問題,處理銹蝕、油漆脫落問題。
本次施工中,難點(diǎn)及重點(diǎn)內(nèi)容主要是對原結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行頂升卸載、施工過程中的防傾覆破壞措施及卸載后對病害柱腳進(jìn)行加固處理方式方法。
按原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)截面結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際做法情況,建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型,整體計(jì)算模型如圖5 所示。
圖5 計(jì)算模型示意圖
對計(jì)算模型按國家現(xiàn)行規(guī)范[2-3]進(jìn)行加載計(jì)算,根據(jù)實(shí)際情況,對梭形柱柱肢鋼管底部焊縫整條破壞的情況,進(jìn)行“刪除桿件法”處理(如圖6)。
圖6 梭形柱柱腳焊縫破壞模擬示意圖
刪除柱肢桿件后,結(jié)構(gòu)各方向整體振動周期如表1 所示。
表1 “刪桿后”結(jié)構(gòu)自振周期表
所有桿件強(qiáng)度應(yīng)力比分布圖如圖7 所示,桿件穩(wěn)定應(yīng)力比如圖8 所示。由數(shù)據(jù)可知,在梭形柱柱腳肢管退出工作后,鋼柱荷載傳導(dǎo)途徑重新分布,結(jié)構(gòu)中大部分桿件的應(yīng)力比仍小于 0.6,少數(shù)幾根桿件應(yīng)力比超過 1.0,缺失鋼管柱腳附近的橫向桿件應(yīng)力較大幅度增加。
圖7 桿件強(qiáng)度應(yīng)力比分布圖
圖8 桿件穩(wěn)定應(yīng)力比分布圖
由于柱肢焊縫貫通破壞,結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生重分布,加固時(shí)考慮對原有梭形柱鉸接柱腳進(jìn)行剛接處理。由于現(xiàn)場對原有相貫焊縫補(bǔ)強(qiáng)難度較大,擬采用在柱腳鋼管與空心球處增設(shè)加勁肋的方法對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),加勁肋按等面積原則進(jìn)行設(shè)置。
經(jīng)計(jì)算,每根鋼管應(yīng)設(shè)置 3 道加勁肋,加勁肋的厚度采用 18 mm,寬度 150 mm,包裹角度采用 180°。補(bǔ)強(qiáng)鋼板底部用角焊縫與空心焊接球連接,使鋼柱荷載通過加勁肋傳遞至焊接空心球,避開有缺陷的焊縫。完成加勁肋補(bǔ)強(qiáng)后,再用圓鋼管對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行包裹并在內(nèi)部填充混凝土,從而完成對柱腳節(jié)點(diǎn)的加固,將原來的鉸接節(jié)點(diǎn)改為剛接做法,處理方案如圖9 所示。
圖9 外包鋼板柱腳加固示意圖(單位:mm)
圖10 外包鋼板施工工藝模擬
方案確定后,采用 BIM 技術(shù)對該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了施工方案模擬,如圖9 及圖10 所示。先采用頂升系統(tǒng)對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載,然后對原有梭形柱柱底焊接加勁肋,完成后對柱腳節(jié)點(diǎn)采用鋼管混凝土進(jìn)行包裹,最后拆除反力架完成整個(gè)加固施工。相應(yīng)的原設(shè)計(jì)模型中鉸接柱腳變?yōu)閯偨舆B接,對修改后的結(jié)構(gòu)模型重新計(jì)算,得到各方向自振周期如表2 所示。
經(jīng)計(jì)算,所有桿件強(qiáng)度應(yīng)力比重新回歸 1.0 以內(nèi),采用柱腳約束方案后結(jié)構(gòu)整體剛度加大,有良好的冗余度,屋面結(jié)構(gòu)整體處于安全狀態(tài)。
表2 “柱底剛接”結(jié)構(gòu)自振周期表
梭形柱柱底固接后最大支座反力值軸力 693.4 kN,相較鉸接連接僅增大了 4.8 KN;相應(yīng)的兩個(gè)方向彎矩分別為 3.091 kN·m 和 10.416 kN·m,彎矩值較小,由此可見梭形柱底部剛接對于節(jié)點(diǎn)區(qū)域影響不大,未大幅增加節(jié)點(diǎn)區(qū)域的彎矩,同時(shí)也說明焊縫破壞對整體剛度影響有限,采用“柱底剛接”方案合理可行。
對于高強(qiáng)螺栓缺失的情況,補(bǔ)充安裝;對于已有的高強(qiáng)螺栓按終擰扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新施扭。若重新施扭過程中螺栓發(fā)生破壞,用同規(guī)格高強(qiáng)螺栓進(jìn)行更換。對于焊縫缺陷區(qū)域以及未焊接部位,在對焊縫附近構(gòu)件表面清理打磨后,進(jìn)行補(bǔ)焊,必要部位如焊接處垂直于受力方向處則需要進(jìn)行卸載或采取分段焊接的措施,焊縫寬度及質(zhì)量等級應(yīng)與原設(shè)計(jì)相同。
對于銹蝕、油漆脫落、母材缺陷等情況,應(yīng)在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行清理打磨后進(jìn)行再次涂裝。
梭形柱柱底焊縫整條破壞的原因?yàn)橹摴茉谄渖喜课赐耆忾],在使用過程中,雨水滲入鋼管內(nèi)部并灌滿。在低溫環(huán)境下鋼管內(nèi)部水結(jié)冰膨脹,致使焊縫破壞。加固前需在鋼管靠近柱底位置打孔排空鋼管內(nèi)積水,對格構(gòu)柱鋼管所有焊縫及開口處進(jìn)行檢查,焊縫有缺陷處清理打磨后進(jìn)行補(bǔ)焊封閉,開口處未封閉的或者端板銹蝕處應(yīng)清理后根據(jù)情況采取補(bǔ)焊或者補(bǔ)充端板的方式進(jìn)行封堵。
對于已經(jīng)滲漏并銹蝕的構(gòu)件,為了抑止銹蝕繼續(xù)加重可采取填充灌漿料或氮?dú)獾姆绞礁艚^其與空氣接觸繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)。
本工程鋼索采用 OVM 系列的 PES 5-85,破壞力為2 787 kN,原設(shè)計(jì)最大有效拉力值為 151 kN,遠(yuǎn)小于其極限值。加固是只需將其拉力再張拉至原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)索有效拉力值,張拉時(shí)先長索后短索,柱兩側(cè)索成對交替張拉,兩柱應(yīng)同步進(jìn)行張拉。
柱腳處的病害處理是本項(xiàng)目的難度和重點(diǎn),加固前首先要選擇合適位置布置反力架并對原結(jié)構(gòu)主體進(jìn)行頂升卸載,施工過程中還要確保大棚穩(wěn)定性,防止發(fā)生傾覆破壞。
本次施工時(shí)主動頂升設(shè)備采用 TPower-2 頂升系統(tǒng),該系統(tǒng)由南京創(chuàng)安結(jié)構(gòu)事務(wù)所有限公司自主研發(fā),位移控制最高精度可達(dá) 0.1 mm,每一點(diǎn)都可獨(dú)立設(shè)定位移值。頂升時(shí)采用 100 t 帶自鎖千斤頂,在卸載完成后及時(shí)利用千斤頂自鎖裝置進(jìn)行自鎖,確保了收費(fèi)站施工過程中的穩(wěn)定性。另外在卸載和施工過程中設(shè)置位移報(bào)警閥值,發(fā)生較大變形時(shí)實(shí)時(shí)預(yù)警。過程中還對梭形柱柱頂、屋面關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)位移檢測,確保施工工程中大棚變形在可控范圍內(nèi)。由于本次卸載荷載過小,可采取手動卸載,采集油壓傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)而判斷卸載程度。頂升卸載施工圖及現(xiàn)場做法如圖11 所示。
圖11 頂升卸載施工圖及現(xiàn)場做法
根據(jù)現(xiàn)場情況,梭形柱由四根鋼管組成,鋼管間聯(lián)系較弱,給卸載帶來了一些難度。擬在柱腳節(jié)點(diǎn)以上區(qū)域采用鋼連接件加強(qiáng)鋼管間聯(lián)系后澆筑混凝土作為卸載承臺,每根柱采用四個(gè)自鎖式千斤頂。鋼結(jié)構(gòu)水平荷載通過設(shè)計(jì)的限位柱傳遞給基礎(chǔ),千斤頂支撐架和限位柱采用鋼結(jié)構(gòu)形式。另外可以看到,采用 BIM 技術(shù)對施工方案進(jìn)行模擬后,可真實(shí)還原施工過程中的條件和場地限制,對施工流程及做法提前進(jìn)行把控,具有很好的指導(dǎo)意義。最終整個(gè)施工過程安全平穩(wěn),施工成果效果明顯,得到業(yè)主的一致好評,加固施工及完成后的效果如圖12 所示。
圖12 加固施工及完成后效果
由于氣溫驟降且年久失修,露天鋼結(jié)構(gòu)容易暴露出一系列問題,例如屋面板破損嚴(yán)重,鋼結(jié)構(gòu)表面油漆脫落,甚至是鋼柱腳或者梁柱主要節(jié)點(diǎn)域處焊縫銹蝕破壞,拉索松弛、索力損失等,某些問題已經(jīng)造成了較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)安全隱患,亟待加固維修。本文結(jié)合實(shí)際工程案例,針對復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方法及思路進(jìn)行了探索,依據(jù)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特點(diǎn),利用有限元軟件建立分析模型,從各個(gè)角度對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,在滿足國家現(xiàn)行規(guī)范要求的前提上,對該類型項(xiàng)目所采用的加固構(gòu)造措施及加固方法進(jìn)行了補(bǔ)充,旨在對同類項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)加固工作提供一些積極的建議。