某单跨框架支撑结构检测评定及加固加层技术

闫 博

(乡宁县凯博拆迁公司，山西乡宁 042100)

0 引言

钢结构建成后的长期服役过程中，由于自然老化、损伤、各种灾害和其所处环境、使用条件等因素的影响，结构不可避免的出现功能减弱。同时一些其他结构的使用功能发生改变导致现有结构无法满足新的要求。这些都有必要重新科学的评估结构功能，并采取有效的结构加固加层措施，使结构的抗力得以恢复或提高，以满足新的使用要求。文献[1]～[3]中指出在发达国家早已呈现出建筑结构的新建与加固改造的前消后涨的趋势。另外，结构损伤具有局部性和多发性特点，这些结构不可能在出现损伤时就立即退役。因此建筑结构评估与加固修复已经获得充分重视，已成为建筑行业的一个新领域[4]。

1 概况

该单跨框架支撑结构为某气化车间，位于太原市小店区，该车间于1989年6月15日开始施工，1990年11月12日工程全部竣工，距现在已经21年。建筑结构形式为单跨高层钢框架中心支撑结构，总建筑面积为1 091.32 m2，平面布置为矩形，长18 m，宽8 m，柱距4.5 m，建筑层数共7层，檐口标高30 m，屋面形式为双坡形屋面。该车间无外墙围护结构，柱采用焊接H型钢，梁采用普通工字钢与焊接 H型钢两种，柱间支撑采用等边双角钢，钢材材质为A3钢(Q235)，楼板为花纹钢板。柱与主梁、主梁与次梁均采用铰接连接，支撑与梁、柱的连接也采用铰接连接，楼板与梁采用间断焊连接。

本工程后续使用年限为20年。地震设防烈度为8度(0.2g)，场地类别为Ⅲ类，场地特征周期取0.45 s。

该框架结构已使用21年，因工艺设备和使用功能发生改变需对架构进行加固加层处理，且各层次梁因设备布置需要分布极不规律(见图1)。鉴于此，为了确保钢结构施工过程符合相关规范的技术要求[6]，消除单跨钢结构施工中存在的施工缺陷、安装误差及其他安全隐患，需要通过现场检测、监测、复核计算以及结构加固等手段，使结构满足正常使用要求，并确保单跨钢结构在使用过程中的安全可靠性。

图1 平面布置图

2 工程检测及复核计算

2.1 工程检测内容及监测方案

在原结构设备荷载卸除之后，主要进行以下四个方面的检测:

1)钢结构构件与节点外观损伤检测，主要内容包括:钢构件表面锈蚀情况;钢构件裂纹、穿孔、硬伤、硬弯、歪扭、爆皮及残料夹层;钢构件主要连接部位是否存在裂纹;观察节点连接构件(连接板、螺栓等)有无锈蚀，有无松动等(特别是构件连接和接头处、支座连接处);检查梁柱支撑有无弯曲变形等;观察高强螺栓是否完好，有无松动和延迟断裂现象;检查焊缝外观质量是否完好，有无漏焊、焊角高度不够等现象。

2)钢结构构件与节点焊缝无损检测，主要内容包括:焊缝质量检测，对框架结构支座的主要焊缝质量进行金属探伤检测，同时也采用磁粉探伤进行检测;对钢结构框架的柱腹板厚度进行检测，并与设计图纸进行复核;对钢结构构件的涂层进行厚度检测。

3)钢框架结构整体倾斜度及基础沉降的观测，主要内容有:采用DTM-351全站仪对该结构整体垂直度进行了观测;对基础进行高程测量，检测地基相对沉降量。

4)结构体系复核，主要根据GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范、GB 50144-2008工业建筑可靠性检测标准对结构体系及构件进行复核。

2.2 现场检测结果

基于现场的具体检测条件，对该工程的现状进行检测，结果如下:

1)建筑主体结构基本完好，部分构件发生变形，支撑和梁的横截面存在一定程度的损伤，构件连接处存在螺栓短缺现象。

2)结构体系复核。根据《规范》[6]第11.2.1 条:建筑物的定位轴线、基础商住的定位轴线和标高、地脚螺栓(锚栓)的埋放和位置，地脚螺栓(锚栓)禁锢应符合设计要求。经现场复核，将现有结构图纸进行对比，得出以下结论:

a.各层轴网尺寸与原设计图纸一致。

b.支撑布置基本与设计图纸一致，部分变更主要表现为:为方便布置楼梯，第二楼层轴～轴之间逐渐支撑被拆除。2层～4层的轴～轴之间支撑，由设计图纸的十字形改为人字形。

c.各层主梁布置与设计图纸一致;次梁因试验设备布置需要，与设计图纸不符。

3)结构或构件几何尺寸抽检。根据《标准》[9]第4.2.5条第2款:结构或构件几何尺寸的检测，当图纸资料完全完整时，可进行现场抽检复验。本次检测主要针对结构构件(例如:柱、梁和支撑)进行几何尺寸和焊缝尺寸的抽检。抽检柱14根，测点共计42个，获取126个测量数据。抽检构件中85%符合国家相关规范要求。焊缝设计为10 mm，根据焊缝尺寸测量统计，焊缝测量尺寸与设计尺寸最大偏差为0.8 mm。由《规范》[6]附录 A 表 A.0.3知，焊缝尺寸大于6 mm时，允许偏差为0 mm～3 mm。因此焊缝尺寸符合规范要求。

4)结构变形及倾斜观测。

a.倾斜观测。采用DTM-351全站仪对该结构整体垂直度进行了观测，图2中数据表示结构顶点的倾斜方向与倾斜量。根据《规范》[6]表11.3.5整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差，主体结构的整体垂直度允许偏差为H/2 500+10且不应大于50 mm;故该建筑的整体垂直度不满足现行规范要求。

图2 结构顶点倾斜示意图

b.变形观测。经计算得:Δ =0.035 m，L=19.7 m，Δ/L=0.035/19.7=0.001 777 ＜0.003。根据《规范》[8]第 5.3.4 条、表5.3.4，建筑物的地基变形允许值为0.003。故该建筑的地基变形满足规范要求。柱相对高程示意图见图3。

图3 柱相对高程示意图

3 结构复核计算

通过对甲方提供的资料及现场检测数据进行整理分析，根据《规范》[5]第3.6.6条第3款:复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析时，应采用不少于两个合适的不同力学模型，并对其计算结果进行比较，最终选择借助软件SAP2000和PKPM(2010年版)对现有结构以及加层后11层结构进行抗震分析。重点判定现有7层结构承载力和正常使用两种极限状态是否满足国家现行规范要求，以及现有结构能否实现加层、加层后11层结构承载能力和正常使用两种极限状态能否满足国家现行规范要求。

3.1 计算方法及假设条件

结构基本参数根据《规范》[5]取值，采用振型分解反应谱法进行地震作用分析。假设条件:

1)柱脚和基础采用刚性连接，次梁和主梁采用铰接连接。

2)楼板设为全房间开洞，即厚度为零，楼面荷载折算成梁间线荷载;屋面及屋架荷载等效为板厚自重，折算为梁间线荷载作用到顶层梁上。

3)钢框架无外墙围护结构，且风荷载同水平地震作用相比不起控制作用，暂不考虑风荷载作用。

3.2 计算结果

3.2.1 振型分析

根据SAP2000和PKPM分析软件计算结果，原结构模型及振型基本信息对比如表1，表2所示。

表1 原结构SAP2000模型振型信息

表2 原结构PKPM模型振型信息

3.2.2 位移及位移角分析

在正常使用极限状态下的各种荷载组合工况中楼层最大位移及位移角对比见表3。现有结构注定最大位移为13.1 mm，弹性层间位移角为1/767，故柱顶最大位移及层间位移角满足现行规范要求。

表3 楼层最大位移及位移角

3.2.3 楼层质心与刚心对比

质心为楼层质量中心，刚心为楼层刚度中心。质心与刚心重合时结构抗震最有利，偏差越大，地震作用下结构扭转越严重。通过PKPM软件对原结构模型进行分析，结果表明，原结构3层，4层，6层质心与刚心偏差较大，加大了结构的扭转，削弱结构抗震性能。

3.3 软件分析小结

1)现有结构的柱、梁、支撑的强度满足现行规范要求，但是柱的长细比、部分支撑长细比不满足要求。上述情况导致结构的稳定性不满足现行规范要求[5，7]。

2)2层楼梯处拆除了柱间十字支撑，后果主要表现为:

a.建筑3层～4层的质心与刚心存在较大的偏差，Y向偏差约1 m，导致结构在地震作用下发生严重扭转。

b.结构自振周期发生很大的变化，最大周期由原来的0.683 s变为0.719 s，导致结构在地震作用下的水平位移增大。

c.结构的位移比发生变化，X向的最大位移与层间平均位移的比值由原设计的1.1增加到1.34，使结构在X方向处于扭转不规则状态。

3)个别钢柱的截面尺寸与原设计不符;建筑物整体垂直度不满足规范要求[7]。

4)原结构基础抗剪承载力不满足现行规范要求。

4 工程整改及加固与加层措施

4.1 工程整改

根据现场检测和测量结果及软件分析结果，针对框架原结构存在的缺陷及不足，提出以下整改意见:

1)施工单位对框架结构杆件进行排查，纠正或调整弯曲杆件。

2)对螺栓、焊缝进行排查，增补缺失螺钉、更换锈蚀严重螺栓、螺栓强度不足处进行焊缝补强。

3)必须按照先加固后加层的施工顺序进行施工。

4)加固前应进行除锈处理，处理后的构件各项参数应符合设计要求。

4.2 抗震加固与加层措施

箱形截面(见图4)。

4)梁柱连接由原设计螺栓连接变为混合连接(螺栓连接+焊缝连接)(见图5)，并在梁下翼缘增设梯形连接板补强(如图4，图5所示)。

5)次梁与二次次梁连接采用高强螺栓连接。

6)原柱与新柱连接采用焊接方式(见图6)。

经过对框架结构的详细复核计算分析，在原结构无荷载作用的情况下仍有若干构件应力偏高，考虑到现场检测中发现的缺陷，建议对这些杆件采取合理有效的加固补强措施，以提高框架结构加层后的安全储备。

通过软件分析及《规范》[5]对结构进行加固后的加层处理，具体加固与加层措施如下:

1)原有基础采用增大截面法进行加固。

2)框架柱采用加大截面法加固，由原设计焊接H形截面变为

4.3 加固加层效果

对原框架结构进行了加固加层处理，会影响框架的刚度分布，从而使得框架构件之间的内力分布发生变化，故对杆件加固加层后的框架进行了再次计算分析，计算结果表明:

1)新结构梁柱支撑强度均满足要求。

2)截面增大后，柱的平面内及平面外稳定性达到规范标准。

3)通过对新旧两个结构的模型分析，可知支撑在结构地震稳定性方面起着不容忽视的作用，随意拆除可能导致结构破坏，补全拆除的支撑后结构成为扭转规则体系。

5 结语

1)本文主要针对某单跨框架支撑结构工程在加固施工前存在的损伤和缺陷问题进行了现场检测和有限元计算复核，并提出了后期施工的监测方案;

2)根据现场检测情况和有限元计算分析结果，提出了工程整改和结构加固、加层的建议和措施;

3)对整改和加固、加层后的结构进行了二次计算分析，计算结果表明该框架结构在整改和加固、加层后能够满足正常使用和承载力极限状态的变形与应力要求，验证了加固措施的有效性。

[1] 邸小坛，周 燕.旧建筑物的检测加固与维护[M].北京:地震出版社，1992.

[2] 张 鑫，李安起，赵考重.建筑结构鉴定与加固改造技术的进展[A].第19届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ册)[C].2010.

[3] 王孔藩.力学在建筑结构诊断、加固中的广义延拓——展望21世纪学科的成绩[A].建筑物鉴定与加固改造——第五届全国学术会议论文集[C].汕头:汕头大学出版社，2000.

[4] 郅伦海，周会平.浅谈建筑结构加固的鉴定与加固[J].国外建材科技，2006，27(1):54-56.

[5] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[6] GB 50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范[S].

[7] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[8] GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].

[9] GB 50144-2008，工业建筑可靠性检测标准[S].