某综合管架倾斜和基础开裂的鉴定及加固处理

臧 宇 张燕莉 金国芳

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092)

1 引言

管架结构是生产企业常见的一种构筑物，用以支承架空设置的管道，具有面多量广、形式复杂多样的特点。随着社会经济的发展，企业经常遇到技术工艺改造、增加产能等情况［1］，如果盲目地在现有管架上增设管道，会导致使用荷载超过原设计荷载，从而影响管道支架的正常使用和结构安全。

某企业的综合管架始建于2005年，实际使用中，因生产需要，陆续在管架的不同部位增设了大小不等、介质各异、工况各异的若干根管道，综合管架上荷载增加较多，以致综合管架的钢柱倾斜，基础混凝土开裂受损。为此，为确保该综合管架的结构安全和正常使用，需对综合管架进行结构鉴定和加固。

本文根据对综合管架的现场检测结果进行了结构计算分析，对抗震承载力验算不满足抗震鉴定要求的结构构件，给出了相应的抗震加固方案，并分析了综合管架受损的原因。

2 工程概况

综合管架采用钢结构，长度约400 m，图1为综合管架平面位置示意图。综合管架采用门形双层管架(图2)，局部现状见图3。沿综合管架纵向，在管架柱之间设置纵梁或跨度较大的桁架，构成空间体系。

图1 综合管架平面布置示意图Fig．1 Arrangement diagram of integrated pipe rack

图2 门形双层管架Fig．2 Portal pipe rack of double-decker

图3 综合管架局部现状Fig．3 Photos of parts of integrated pipe rack

0－T轴管架柱采用桩基础，其余管架柱采用钢筋混凝土独立基础。本工程基本风压为0．50 kN/m2，B类地面粗糙度。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0．10 g，场地类别为Ⅳ类，场地特征周期为0．65 s。

3 现场调查检测

3．1 基础现场检测

检测结果表明:基础尺寸与原设计图纸吻合，基础混凝土施工质量较好，混凝土强度均达到原设计值(C30)。部分基础混凝土开裂受损(详见本文3．4节受损情况调查)。

3．2 管架现场检测

检测结果表明:综合管架的钢构件尺寸与原设计图纸基本吻合，构件间的焊接和螺栓连接质量较好，钢材强度均达到原设计等级(Q235)。

3．3 管道设置情况调查

原设计综合管架上放置4根管道及2组电缆桥架。根据现场调查检测，大部分管架上的管道数量从原设计的4根增加到11根至21根不等，增设的管道直径不等，管道内的介质各不相同。

3．4 受损情况调查

现场调查发现，综合管架主要的受损情况是:部分基础混凝土开裂受损，1/01轴和④轴基础混凝土开裂受损的现状见图4。除上述外，综合管架其余结构构件均完好无损。

3．5 综合管架钢柱倾斜测量、沉降观测及调查

图4 部分基础混凝土开裂受损情况Fig．4 Photos of damaged foundation

采用经纬仪对综合管架钢柱进行倾斜观测，测量结果表明，除了0轴(倾斜率11．8‰)和1/01轴(倾斜率10．8‰)的综合管架钢柱倾斜较大外，其余钢柱的倾斜率约为2‰。综合管架钢柱倾斜测量部分结果详见图5，图中倾斜值包括综合管架原施工的垂直度误差在内。

采用水准仪对管架钢柱进行沉降观测，测量结果表明，采用桩基的0轴钢柱沉降较小，沉降值为36 mm，没有采用桩基的钢柱沉降较大，最大沉降为222 mm(⑤轴)，其次1/01轴为160 mm。

4 综合管架结构荷载和地震作用计算

管架结构一般以一个温度区段作为一个计算单元，现将0－⑥轴温度区段(荷载大、综合管架倾斜较大及基础混凝土开裂受损的区段，图6为立面图)综合管架的结构计算分析结果汇总如下。

根据文献［2］可知综合管架承受管道永久荷载、可变荷载和水平荷载，列于表1。

图5 综合管架部分钢柱倾斜测量结果(0、1/01轴)Fig．5 Inclination measurement results of some columns of integrated pipe rack(0 and 1/01 axis)

图6 0～6轴综合管架立面图Fig．6 Elevation of integrated pipe rack from 0 to 6 axis

4．1 永久荷载(垂直荷载)

综合管架横梁所受的垂直荷载实际上均为集中荷载，但是进行结构设计时，对于小直径管道(通径DN＜400 mm的管道)，紧凑地分布在横梁上，当管道数量超过3根时，可以按文献［3］中表5-42所示的方法将集中荷载简化成均布荷载考虑。

根据现场调查检测所得0－⑥轴综合管架管道设置的现状，可以计算出作用于综合管架横梁上的垂直荷载，见表2。

4．2 可变荷载(垂直荷载)

平台和走道板上的活荷载标准值取2．0 kN/m2;设计不考虑冰雪荷载;管径大于300 mm的管道，考虑标准值为0．2 kN/m2的积灰荷载。

表1 综合管架荷载分类Table 1 Load classification of integrated pipe rack

表2 横梁所受垂直荷载标准值Table 2 Standard value of vertical load on beam

4．3 纵向水平可变荷载

根据文献［2］可知，综合管架横梁上的水平推力包括以下数值:

(1)管道补偿器的弹性力标准值∑Fb，kN;

(2)关闭阀门时，管道的阀门、弯管及盲板等由介质产生的内压力标准值∑Fn，kN;

(3)管道变形时，管道与横梁之间发生相对位移，产生的摩擦力标准值∑Fm，kN。

由管道专业计算提供∑Fb和∑Fn，摩擦力Fm按下式计算:

式中，Kq为牵制系数;G为管道垂直荷载;μ为摩擦系数。

4．4 风荷载计算

按文献［3］中5．2．4条所示的方法，单层多管风荷载和多层多管风荷载计算分别为

式中，ωk为风荷载标准值;μz为风压高度变化系数;μ0为整体计算体形系数，当 μzω0D2≥ 0．015时，μ0=1．0;当 μzω0D2≤ 0．015 时，μ0=2．0，中间值按插值法计算;ω0为基本风压;l为管道跨度(若管架两侧的跨度不等时，取平均值);μsi为风荷载体型系数;ωki为第i层风荷载标准值;μ'i为上下层之间影响系数，按S/D由图7查找;Di为管道保温后外径;Si最大管之间净距。

图7 多层多管层间影响系数Fig．7 Influence coefficient curve

管架风荷载可按下式计算:

式中，ωk为风荷载标准值(kN/m);βz为高度z处的风振系数;μs为管架风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;ω0为基本风压(kN/m2);b为迎风面的管架梁高或柱尺寸。

4．5 地震作用计算

管道集中布置在综合管架上部，根据《构筑物抗震设计规范》(GB 50191—2012)［4］规定，管架采用近似于单质点体系的结构，故对于敷设单层或多层管道的管架结构，其抗震计算宜采用底部剪力法。

5 综合管架结构承载力有限元分析

根据原施工图和现场检测结果，采用有限元软件SAP2000等并与手算相结合的方法对综合管架进行结构计算分析，0－⑥轴综合管架SAP2000计算模型示意图见图8。

5．1 地基基础验算

综合管架柱采用外露式柱脚与基础刚接或铰接，柱脚设置抗剪键抵抗水平力，根据文献［5］提供的简化计算方法，假定柱脚底板与基础接触面的压应力呈直线分布，最大压应力按下式计算:

图8 SAP2000模型示意图Fig．8 Diagram of model in SAP2000

式中，N为柱脚底面的轴向力;Mx，My分别为柱脚底面绕x轴和y轴的弯矩;Wx，Wy分别为柱脚底板对x轴和y轴的截面模量。

在最不利的荷载组合下，各轴柱底轴力N、弯矩M和柱脚底板与基础接触面的最大压应力σmax计算结果见表3。

表3 柱脚底面反力和接触面最大压应力Table 3 Reaction force on bottom of columns and maximum compressive stress on contact surface

按照《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)［6］验算柱脚底板与基础接触面处混凝土的局部受压承载力，结果表明，1/01轴柱基础局部受压承载力不满足规范要求。

对综合管架地基基础承载力进行验算，结果表明，除1/01轴柱下基础局部受压承载力不足外，其余均满足规范［7］要求。

5．2 上部钢结构验算

综合管架柱除承受垂直荷载外，还同时受到纵向和横向水平荷载作用，为双向受力构件，按《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)［8］中的压弯构件验算承载力。验算结果表明，综合管架柱的承载力满足规范要求。

综合管架横梁受到管道的垂直荷载和水平荷载，为双向受弯构件，按文献［8］中4．2．3条的要求，按下式验算横梁的整体稳定性:

式中，φb为绕强轴弯曲所确定的梁整体稳定系数;γy为截面塑性发展系数。

验算结果表明，综合管架横梁的承载力满足规范要求。

综合管架纵梁、桁架、支撑和连接节点经过验算，承载力满足规范［8］要求。

6 钢柱倾斜、基础混凝土开裂受损原因分析

经现场调查检测和结构计算分析，综合管架部分钢柱倾斜、基础混凝土开裂受损的主要原因分析如下:

(1)综合管架很长，各段钢柱的基础类型不一(柱下钢筋混凝土独立基础、桩基)，致使综合管架建造初期部分钢柱产生不同程度的沉降，特别是相邻的基础类型不同的钢柱就存在不均匀沉降。同时，在实际使用中，因生产发展需要，在综合管架的不同部位陆续增加了大小不等的多根管道，局部使用荷载的增加，加剧了这些钢柱的不均匀沉降。

(2)基础混凝土开裂受损，主要原因为1/01轴、①轴、③轴和④轴处的综合管架跨度较大，且新增管道数量较多，荷载增加较大。经验算，1/01轴基础局部受压承载力不足，①轴、③轴和④轴柱脚底板与基础接触面的最大压应力较大，已接近混凝土局部承压强度。这些部位的基础混凝土开裂受损是由于基础局部受压承载力不足所致。

此外，部分混凝土基础开裂是发生在二次灌浆与第一次浇灌的混凝土之间粘结不佳所致。

(3)上述的这些不均匀沉降以及基础局部受压不足致使该处的钢柱倾斜、基础混凝土开裂受损。1/01轴、0轴钢柱倾斜原因具体如下:

1/01轴荷载大于0轴，且1/01轴采用钢筋混凝土独立基础，0轴采用桩基，造成1/01轴沉降大于0轴，二者产生不均匀沉降，导致钢柱向1/01轴倾斜。

(4)开裂受损的混凝土基础(未及时修补处理)，长年使用中受环境影响，其开裂受损情况有所加剧。

7 结构加固处理方案

(1)在1/01轴、①轴原钢柱边各增设2根钢柱GZ1进行加固，2根 GZ1间设置交叉支撑GZC1，在①－②轴柱间增设纵向交叉支撑GZC2，交叉支撑在交叉点应设节点板，具体位置见图9。

图9 加固构件位置图Fig．9 Position of the strengthening members

(2)2根GZ1下设置钢筋混凝土基础。如果新增基础与原柱下基础相碰，则新老基础组成联合基础，将新基础的钢筋植入老基础中，并将老基础的交接面凿毛、冲洗干净，再浇筑混凝土。

(3)部分钢柱基础混凝土开裂受损的处理:

①凿除开裂受损的混凝土，凿至混凝土密实处，保留原有钢筋。

②老混凝土界面必须凿毛，并凿成凹凸面，凹凸面深度不得小于4 mm，用钢刷将混凝土碎块、浮渣灰等清除干净。将原有混凝土表面冲洗干净，再用新鲜425号水泥浆涂刷表面。

③浇筑(抹压)强度等级为C35的细石混凝土，充分养护混凝土。

④施工中必须轻敲轻凿，不得损伤原结构。

(4)钢筋外露锈蚀的处理:

①先将腐蚀部分的混凝土(锈蚀钢筋处)凿掉，并清理至密实处。

②钢筋除锈后涂刷防护层。

③抹压环氧水泥砂浆。

(5)考虑到局部结构构件已作临时加固处理，根据现场实际情况，可考虑临时加固措施能否作为永久结构加固措施。

8 结语

通过对该受损的综合管架的现场检测和结构验算可知:

(1)对于较长的综合管架，应重视钢柱基础的设计，避免基础类型不一等因素致使综合管架产生不均匀沉降。

(2)施工中应确保基础混凝土二次灌浆的施工质量。

(3)使用中，若生产发展需增设管道，应先结构验算，评定其是否可行。不能盲目增加管道，增加各类荷载。

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