廖曉坤

(安徽省建設(shè)監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

近年來，鋼結(jié)構(gòu)由于強度高、質(zhì)量小等優(yōu)點在各類建筑結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用，但是在實際工程中或因材料本身的老化銹蝕，或因施工不規(guī)范，或因其它的一些因素引發(fā)了一系列的質(zhì)量問題和安全問題[1]。有些工程由于某些因素無法拆除重建，就需要采取措施進行加固補強，以達到必要的安全性和功能性需要。在結(jié)構(gòu)的加固施工過程中為了提高施工的安全性和保障加固措施的可靠度，就需要對被加固結(jié)構(gòu)進行必要的施工控制與監(jiān)測。本文以某一實際工程為例，研究施工控制與監(jiān)測技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用。

1 工程概況

目標工程為改建工程，位于安徽省合肥市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，原為室外網(wǎng)球場，計劃改建為能提供800人就餐的單層宴會廳，地下部分基本保持不變，擬改建建筑按功能分區(qū)可以劃分為宴會廳、廚房和休息區(qū)，其建筑南北方向長63.8 m，東西方向長47.9 m，建筑總面積為4407.1 m2，高10.5 m。

該工程的主要部分是宴會廳，該區(qū)的結(jié)構(gòu)形式為門式剛架結(jié)構(gòu)，其豎向承重構(gòu)件為鋼筋混凝土柱，屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋，屋蓋的尺寸為長47.1 m，寬32.0 m，主要由5榀主桁架和11榀次桁架組成，屋蓋三維圖及主桁架示意圖如圖1與圖2所示。屋蓋主桁架的截面為H型鋼，由于其尺寸較大，為方便運輸采用分三段制作，在施工現(xiàn)場焊接后吊裝就位的方案(如圖3所示)。

在某次施工中期檢查過程中，檢查單位發(fā)現(xiàn)鋼屋蓋個別構(gòu)件變形超過規(guī)定的限值，經(jīng)過檢測單位檢測發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在嚴重的質(zhì)量問題，建議停工整修。

2 檢測結(jié)果及加固設(shè)計

2.1 檢測結(jié)果

通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外觀質(zhì)量檢查、焊縫超聲波無損探傷檢測結(jié)果和對高強螺栓終擰扭矩檢測等一系列檢測，主要發(fā)現(xiàn)存在螺栓施工不合規(guī)范、焊縫錯位、漏焊、螺紋鋼筋塞縫，且焊縫外觀質(zhì)量、焊縫尺寸不符規(guī)范要求、抽檢螺栓均不滿足10.9 S級高強螺栓施工扭矩要求等一系列質(zhì)量問題，如圖4所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維圖

圖2 屋蓋主桁架示意圖

圖3 屋蓋主桁架拼接圖

圖4 屋架鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題

另外，屋蓋的主桁架有超過50%的節(jié)點存在質(zhì)量缺陷，而且大部分缺陷將會對結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不利影響，為保證結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用要求，必須進行加固設(shè)計。

2.2 加固設(shè)計

利用MIDAS/Gen對該工程進行模擬分析，并制定了一系列加固方案。首先對于不符合標準的螺栓根據(jù)規(guī)范要求重新施工，然后將不合格的焊縫熔掉，重新焊接、在工字鋼梁上下翼緣外側(cè)對稱貼焊鋼板，最后再將兩塊鋼板垂直上下翼緣面焊接在工字形截面梁的翼緣上，(如圖5所示)使此處梁的截面形式變?yōu)橄湫徒孛?。[2]

圖5 焊接缺陷鋼構(gòu)件的加固方案

3 加固施工控制

該加固過程是在結(jié)構(gòu)負載下進行的，為保證整個加固施工過程的安全，在施工之前需要制定專項施工方案對加固施工過程進行控制。其主要過程為：首先采用臨時支撐對結(jié)構(gòu)進行不完全卸載，以降低缺陷節(jié)點的初始應(yīng)力；然后按照設(shè)計結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行加固施工；最后在加固完成后對結(jié)構(gòu)的臨時支撐進行有序卸載。[3]

3.1 預(yù)加載方案與分析

采用臨時支撐對屋蓋結(jié)構(gòu)進行不完全卸載，利用千斤頂、支撐架等臨時措施對結(jié)構(gòu)施加額外支撐，以減小結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力，如圖6所示。該屋蓋結(jié)構(gòu)需要進行臨時支撐的是5榀主桁架，其軸線號分別是4-8/C、4-8/D、4-8/F、4-8/H、4-8/K五條軸線。經(jīng)過驗算，每榀主桁架需要設(shè)置兩個臨時支撐，每個臨時支撐需要對屋蓋結(jié)構(gòu)施加30 kN的額外支撐力，并通過力與位移的對應(yīng)關(guān)系找出需要控制的千斤頂上升高度。

根據(jù)相關(guān)研究表明，結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷與初始荷載將會對壓彎構(gòu)件的承載能力產(chǎn)生影響，其影響程度與結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力的大小有關(guān)，當初始應(yīng)力較小時可以忽略不計，但是當初始應(yīng)力較大時將會產(chǎn)生顯著的影響[4-5]，因此，降低拼接節(jié)點處的初始應(yīng)力，對本工程加固意義較大。通過千斤頂預(yù)加載前后，現(xiàn)場拼接節(jié)點截面最大應(yīng)力值的對比后發(fā)現(xiàn)(詳見表1)，屋蓋結(jié)構(gòu)在施加臨時支撐之后，其各個主桁架桿件的內(nèi)力均有明顯的減小，其它各軸的內(nèi)力也有顯著的下降，其下降幅度約為原內(nèi)力的20%到31%左右。

圖6 支撐臺架布置圖

表1 主桁架現(xiàn)場拼接節(jié)點截面卸載前后的應(yīng)力

3.2 拼接板焊接的順序與流程

為保證拼接板對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固效果，并減小焊接熱應(yīng)力帶來的不利影響，有必要對拼接板施焊的順序與流程進行設(shè)計與規(guī)劃。為減小加固過程對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，在加固時需要按照小受力構(gòu)件先加固的原則進行加固施工，因此規(guī)劃的總體加固順序應(yīng)該從4-8/K軸到4-8/C軸依次完成；在施工現(xiàn)場的焊接工作盡量分散、對稱進行，對于長焊縫采取多道焊接原則，并盡量減小連續(xù)施焊的工作時間；拼接板的尺寸規(guī)格應(yīng)符合設(shè)計要求，若尺寸不合格，可以利用焊槍在施工現(xiàn)場進行切割；在焊接拼接板時先進行點焊固定，然后按照一定的焊接順序?qū)⑵唇影搴附釉诠ぷ咒摿荷?，如圖7所示。

圖7 拼接板焊接加固圖

3.3 臨時支撐的卸載

在撤除屋蓋結(jié)構(gòu)的臨時支撐時，結(jié)構(gòu)所受的荷載將由結(jié)構(gòu)本身承擔，因此臨時支撐的卸載對結(jié)構(gòu)本身來說相當于一個加載的過程，也是一個結(jié)構(gòu)受力情況不斷變化的過程，因此有必要對結(jié)構(gòu)臨時支撐的卸載施工制定專項的施工方案。按照設(shè)計要求，在加固工作完成后對結(jié)構(gòu)的臨時支撐進行卸載，其整體卸載順序應(yīng)從4-8/K軸到4-8/C軸依次完成，并應(yīng)對稱同步進行，以保證在卸載時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不產(chǎn)生較大的起伏。在臨時支撐卸載完成后，出于對結(jié)構(gòu)安全性的考慮，并不完全移除臨時支撐措施，而是要在臨時支撐頂部與屋架的下弦桿之間保留一定的空隙，這樣可以在屋蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移或有其他不利影響時，起到緩沖的作用，來保證結(jié)構(gòu)的整體安全。

4 施工監(jiān)測與分析

大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋加固施工過程復(fù)雜多變，為保證結(jié)構(gòu)的加固質(zhì)量和加固施工過程的安全性，有必要對加固施工過程進行監(jiān)測，并對監(jiān)測結(jié)果進行論證[6]。

4.1 監(jiān)測內(nèi)容與方法

先利用有限元軟件Midas/Gen對該工程的施工過程進行模擬分析，然后根據(jù)模擬分析的結(jié)果選出具有代表性的施工過程進行監(jiān)測分析[7]，具體選出的需要監(jiān)測的施工階段為：

1、鋼桁架屋蓋加固階段，記為CS-1；

2、加固完成后，進行的后續(xù)施工過程，記為CS-2。

其具體監(jiān)測內(nèi)容如下：

(1)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測就是對鋼桁架屋蓋的加固過程和加固完成后的后續(xù)施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變情況進行測量輸出，并對所監(jiān)測的構(gòu)件進行應(yīng)力應(yīng)變分析，以得出其內(nèi)力的分布、變化特點，以及是否滿足安全性要求。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測采用精確度較高的編碼式磁感應(yīng)無線應(yīng)變計，此類無線應(yīng)變計內(nèi)置溫度補償功能，無需進行額外的溫度補償。[8]

(2)位移監(jiān)測

位移監(jiān)測就是對鋼桁架屋蓋的加固過程和加固完成后的后續(xù)施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件的豎向變形情況進行測量輸出，并對所監(jiān)測的構(gòu)件進行位移分析，以得出結(jié)構(gòu)在檢測過程中位移的變化特點，以及是否滿足安全性要求。結(jié)構(gòu)的位移可在施工現(xiàn)場利用位移計進行測量，然后利用數(shù)據(jù)收集儀器與軟件進行數(shù)據(jù)的收集整理。[9]

4.2 結(jié)構(gòu)整體監(jiān)測與分析

4.2.1 測點布置

(1)應(yīng)力應(yīng)變測點的布置

為減少不必要的工作量，只在內(nèi)力較大的桿件上進行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果，該鋼桁架屋蓋的主桁架內(nèi)力較大，因此只對4-8/C、4-8/D、4-8/H、4-8/F、4-8/K五條軸線上的主桁架進行監(jiān)測，其中4-8/D與4-8/F軸主桁架內(nèi)力最大，需分別布置三個測點，4-8/C、4-8/H與4-8/K軸主桁架內(nèi)力相對較小，只需分別布置一個測點即可。測點分布情況如圖8所示，共計9個測點，用以監(jiān)測施工過程中，關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值及變化情況。

圖8 應(yīng)力測點布置圖

(2)位移測點的布置

為減少不必要的工作量，只在位移較大的部位上進行位移監(jiān)測，根據(jù)有限元軟件模擬分析結(jié)果顯示，在整個加固及后續(xù)施工過程中，位移最大的部位位于主桁架的跨中部位，因此只需對4-8/C、4-8/D、4-8/H、4-8/F、4-8/K五條軸線上的主桁架的跨中豎向位移進行監(jiān)測即可。其測點布置情況如圖9所示，共計5個測點，用以監(jiān)測施工過程中，主桁架跨中的豎向位移數(shù)值及變化情況。

圖9 位移測點布置圖

4.2.2 加固階段監(jiān)測分析

為方便記錄分析，可根據(jù)加固施工過程將加固階段的監(jiān)測細化為如下幾個階段：

第0階段：未進行加固施工之前；

第1階段：4-8/K軸主桁架加固完成；

第2階段：4-8/H軸主桁架加固完成；

第3階段：4-8/F軸主桁架加固完成；

第4階段：4-8/D軸主桁架加固完成；

第5階段：4-8/C軸主桁架加固完成，加固工作完成。

(1)應(yīng)力分析

在第0階段將各無線應(yīng)變計初始化，然后開始記錄各測點的應(yīng)力應(yīng)變測值，如圖10所示。

對以上圖形分析可知，加固施工過程對各測點的應(yīng)力應(yīng)變均有影響，但影響的程度與加固施工部位到測點的距離有關(guān)，當測點距加固施工部位較近時，測點的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較大，當測點距加固施工部位較遠時，測點的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較小。在屋蓋的加固過程中，各測點應(yīng)力的變化趨勢并不相同，有上升也有下降，變化比較復(fù)雜，其主要受加固的順序影響。

(2)位移分析

各應(yīng)力測點豎向位移實測值如圖11所示。

對以上圖形分析可知，在整個加固施工過程中，并非所有的測點豎向位移都呈現(xiàn)出單調(diào)的下降趨勢，部分測點的位移會出現(xiàn)上下波動的現(xiàn)象，但總體來說，相對于加固前的位置，各個測點的豎向位移都呈現(xiàn)出下降到趨勢，但是其下降值都不大，最大值為0.83 mm。由此可見，加固過程會對結(jié)構(gòu)的豎向位移產(chǎn)生不利影響，但是其影響程度不大。

4.2.3 續(xù)建階段監(jiān)測分析

為方便記錄分析，可根據(jù)加固完成后的施工過程將續(xù)建階段的監(jiān)測細化為如下幾個階段：

第0階段：加固施工完成之后，未進行后續(xù)施工之前；

第1階段：屋蓋混凝土澆筑完成；

第2階段：找平層砂漿鋪設(shè)完成；

第3階段：灰瓦鋪設(shè)和附件安裝完成。

(1)應(yīng)力應(yīng)變分析

由于第0階段持續(xù)時間較長，且加固階段的測量數(shù)值對續(xù)建階段的測量數(shù)值影響不大，可以將無線應(yīng)變計在第0階段初始化，然后開始記錄各測點的應(yīng)力應(yīng)變測值，并與數(shù)值模擬結(jié)果相比較，如圖12所示。

圖10 各應(yīng)力測點測值變化折線圖

圖11 各位移測點實測值變化折線圖

對以上圖形分析可知，各應(yīng)力應(yīng)變測點的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測值變化趨勢基本相同，雖然存在一定的差異，但是兩者的擬合程度依然很好。

(2)位移分析

續(xù)建階段監(jiān)測到的位移實測值與模擬值對比如圖13所示。

對以上圖形分析可知，各位移測點的豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測值變化趨勢基本相同，在中間雖然有所分離，但在最終依然相互趨近，其中KD-1測點豎向位移的數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果雖然看起來差異較大，但由于其本身數(shù)值較小，所以其差距依然很小?？傮w而言，該屋蓋結(jié)構(gòu)在續(xù)建階段位移監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果擬合程度較好。

4.3 關(guān)鍵桿件的監(jiān)測與分析

在整個施工過程中，關(guān)鍵桿件受到的擾動較大，且關(guān)鍵桿件對整個結(jié)構(gòu)的安全性也有重要的影響，為保證施工的可靠性與安全性，有必要對關(guān)鍵桿件進行監(jiān)測。[10]

圖12 應(yīng)力實測值與模擬值對比

圖13 位移實測值與模擬值對比

4.3.1 測點布置

根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果和檢測結(jié)果，可以確定4-8/D軸主桁架左側(cè)桁架的上弦桿為關(guān)鍵桿件，并對其進行全施工過程階段的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定該關(guān)鍵桿件的測點G1、G2，測點應(yīng)變計的布置需要在加固施工進行之前完成，測點布置如圖14所示。

4.3.2 施工過程監(jiān)測結(jié)果與分析

關(guān)鍵桿件在加固施工(即拼接板焊接)過程中，應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點G1、G2所測到的結(jié)果隨時間變化的規(guī)律如圖15所示。

通過對圖15的分析不難發(fā)現(xiàn)，在焊接工作過程中(即時刻 12：50到 14：20之間)，由于測點應(yīng)變受焊接熱應(yīng)力的影響，其變化浮動較大。在焊接工作結(jié)束之后，測點G1與G2的應(yīng)變逐漸恢復(fù)，但最終保留有殘余應(yīng)變，其殘余應(yīng)變換算為殘余應(yīng)力G1為0.5 MPa，G2為1.0 MPa。由此可見關(guān)鍵桿件的加固施工工程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力并不大。

圖14 應(yīng)變計布置圖

圖15 焊接過程中測點G1、G2處應(yīng)變曲線

利用ANSYS軟件對該關(guān)鍵桿件進行數(shù)值模擬，并考慮焊縫質(zhì)量缺陷長度和加固板長度的最不利組合，分析加固前后該構(gòu)件的承載力狀況，并將模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果做對比以驗證數(shù)值模擬的可靠度。該關(guān)鍵桿件在續(xù)建階段中的不同施工階段，各個應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點所測到的結(jié)果與數(shù)值模擬分析的對比結(jié)果如表2所示。

通過對表格的分析不難發(fā)現(xiàn)，有限元軟件ANSYS的數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)與實測值的比值基本處于0.96到1.26之間，這說明關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)的擬合程度較好。在續(xù)建階段，焊接拼接板處的監(jiān)測值約為工字梁翼緣板處監(jiān)測值的一半，這說明焊接拼接板有效的分擔了工字梁的內(nèi)力，加固效果比較好。

5 結(jié)論

(1)為了保證加固施工的可靠性與安全性，可利用臨時支撐對原鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)進行不完全卸載，可有效地減小原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；加固施工完成后，為了保證后續(xù)施工的安全性，可對臨時支撐進行卸載但不移除。

(2)加固施工過程對各測點的應(yīng)力應(yīng)變均有影響，但影響的程度與加固施工部位到測點的距離有關(guān)，當測點距加固施工部位較近時，測點的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較大，當測點距加固施工部位較遠時，測點的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較?。患庸踢^程對結(jié)構(gòu)的豎向位移也會產(chǎn)生不利影響，但是其影響程度不大。

(3)在施工過程中，將監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)兩者的擬合程度較好，這說明數(shù)值模擬分析能較好地反映結(jié)構(gòu)在施工過程中應(yīng)力與位移的變化情況； 同時也說明了拼接拼接板加固方法的有效性與可行性，為同類工程提供參考。

表2 續(xù)建階段各測點模擬值和監(jiān)測值