钢结构夹层在老旧小区改造中的应用

于培龙 顾典科 范思轶

摘 要：钢结构因具有强度高、质量轻、工厂化程度高、施工工期短、节约建筑空间等特点，在老旧小区改造中得到了广泛应用。本文通过成功的案例，介绍钢结构夹层施工关键技术和关键控制点，为老旧小区钢结构改造提供依据。

关键词：钢结构夹层;老旧小区改造;二氧化碳气体保护焊

中图分类号：TU551文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）17-0088-05

Discussion on the Application of Steel Structure Interlayer in

the Reconstruction of Old Residential Community

YU PeiLong GU Dianke FAN Siyi

（Sinohydro Engineering Bureau 8 Co.， Ltd.，Changsha Hunan 410004）

Abstract： Steel structure has been widely used in the reconstruction of old residential areas because of its high strength， light weight， high degree of industrialization， short construction period and saving building space. Through successful cases， this paper introduced the key technologies and key control points of steel structure sandwich construction， so as to provide basis for the transformation of steel structure in old residential areas.

Keywords： steel structure interlayer;transformation of old residential areas;carbon dioxide arc welding

中華人民共和国成立后，借助苏联经济和技术的支持，国内开始进行钢结构建筑的建设。之后，钢结构通过不断发展，逐步拓展到公共建筑、工业建筑和民用建筑等多个领域。但是，钢结构的技术标准和要求水平仍较低。近年来，随着技术的进步和人民需求的日益提高，原有的建筑标准已不能满足人们的要求，要根据社会需求和功能划分对旧的钢结构建筑进行重新改造和设计。层高较高的建筑可通过增设钢结构夹层调整空间布局，增加室内建筑面积，改善室内功能，在寸土寸金的用地上增加更多的活动空间。本文通过分析钢结构夹层的技术难点和应用案例，探讨其在老旧小区改造中的应用。

1 工程概况

花垣县城南保障性安居工程配套基础设施建设项目——农贸市场项目位于花垣县城南社区廉租房小区，占地7 613.9 m2，建筑面积为14 456.5 m2，钢结构建筑面积为7 613.9 m2，地下一层、地上一层，地下为框架剪力墙结构，地上为钢结构，檐口高度为8.9 m，最高达11.8 m，屋面跨度为8～16 m，抗震烈度6度，设计使用年限50年。项目为花垣县最大廉租房小区提供便民服务，便于社区居民就近购物买菜。2020年，为打造智慧农贸市场工程，完善小区配套，方便小区居民，农贸市场进行二次精装修，完善消防设施和购物平台，并对钢结构增设钢结构夹层，以满足市场功能需求。

2 设计方案

在精装修施工中，吊顶、照明、风扇、电缆、广告牌等施工要考虑设置安装平台，以降低施工难度;同时，考虑到公共区域消防喷淋头间距为2.6 m×2.6 m，同样需要安装平台。针对上述因素，设计单位为降低安装难度，减少施工周期，在+6.00 m标高处增加一层钢结构夹层作为固定端，便于喷淋头支架安装。本结构设计荷载：消防喷淋管道0.5 kN/m2，吊顶装修0.5 kN/m2。施工、使用过程中，荷载不得超过以上限值。

钢结构夹层的结构计算采用同济大学开发的3D3S钢结构-空间结构设计软件。主梁采用Q345B热轧H型钢HN500×200×10×16和Q235B热轧H型钢HM294×200×8×12，次梁采用Q235B热轧H型钢HN194×150×6×9。通过计算模型进行分析，并进行规范检验，发现夹层结构能满足承载力要求，应力比最大值为0.94。

3 实施方案

3.1 实施原则

第一，精确测量，BIM（建筑信息模型）深化设计。在有限空间内对钢结构进行施工时，必须对已有构筑物进行精确测量，消除构筑物主体偏差。本研究采用红外测量仪器对已竣工的钢结构进行空间定位[1]，然后导入Tekla钢结构详图设计软件中进行建模深化，将构件尺寸规格表送至工厂加工。

第二，多工具配合装配施工。施工时，采用自行剪叉式作业平台进行高处焊接作业，先将耳板焊接定位，然后采用手拉葫芦吊装，人工辅助钢梁运送至耳板处，采用冲钉临时固定，再采用高强螺栓固定连接。

第三，科学施焊，消除焊缝应力。先焊接收缩量大的焊缝，待收缩量大的焊缝自由收缩完全并缓慢冷却之后，再焊接收缩量小的焊缝，以达到减小焊接残余应力和变形的目的;严格控制焊接热输入（不超过50 kJ/cm），降低钢材的热敏感，以达到不降低钢材的塑性和韧性的目的;采用对称焊接，使构件的焊接残余应力和变形趋于相对平衡的状态;采用分段退焊，不仅可以减小热输入量，而且可以减小焊接残余应力和残余变形;焊前预热，使钢材在焊接过程中的温度趋于均匀，从而达到减小焊接残余应力的目的[2]。

第四，改变施工顺序，消除累积误差，防止荷载集中。施工时，通过合理划分施工区域，先施工中央区域，再对称施工周边区域，减少构件累积误差和构筑物的不均匀受力。

3.2 实施工艺

3.2.1 原结构实测及Tekla模型建模。本工艺采用红外测量仪器对已竣工钢结构进行空间定位，然后导入Tekla软件进行建模深化，将构件尺寸规格表送至工厂加工，编号后运输至现场堆放。原主体钢结构及新增钢结构夹层Tekla模型如图1所示。

3.2.2 连接耳板焊接。夹层钢结构与原有钢柱主要通过连接耳板进行连接，连接耳板采用焊接的方式连接到原有钢柱上。耳板与原钢结构焊接节点及模型如图2、图3所示。图中，数据单位均为mm。

根据母材材质、结构形式，现场安装焊接采用二氧化碳气体保护焊（GMAW），高空组装焊接采用手工电弧焊（SMAW）或二氧化碳气体保护焊（GMAW）。保护气体为二氧化碳（CO2），纯度为99.98%（露点不大于-40 ℃），焊接材料采用氢含量较低的焊材。焊接材料的选用原则与母材强度等强，焊接不同类别的钢材时，选用与强度级别较低母材相匹配的焊材[3]。

焊材及焊接方法具体选用如表1所示。

3.2.3 钢结构吊装、安装

3.2.3.1 吊装顺序。为减小累积误差，且避免从单侧安装导致架体受力不均匀从而引发钢结构失稳，钢结构装换层具体安装顺序为：从中间向四周进行安装，先安装主梁，待主梁安装完成后进行次梁安装。具体顺序为：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，如图4所示。

3.2.3.2 钢结构吊装。采用电动叉车辅以人工将主梁转运至指定安装位置后，采用2 t手拉葫芦将钢梁提升至指定高度后与事先安装完成的连接耳板进行螺栓连接。手拉葫芦固定形式为：先将宽8 cm、厚11 mm的起重吊带固定于上部原有钢梁上，随后将手拉葫芦上挂钩挂于起重吊带上，并采用12 mm钢丝绳将下挂钩与待安装钢构件连接牢固。手拉葫芦上挂点如图5所示。起吊时，钢梁两端同时起吊，吊运过程中采用缆风绳牵引控制摆动幅度，确保钢梁起吊过程中始终保持与地面平行。起吊过程如图6所示。

3.2.3.3 连接耳板與钢构件间高强螺栓施工。本工程钢构件钢梁之间、钢梁与钢柱之间采用10.9级摩擦型高强螺栓连接，螺栓规格为M20。高强螺栓结合面不得涂漆，采用喷砂处理法，摩擦面抗滑移系数不小于0.45。高强螺栓的预拉力[P]=155 kN。高强螺栓严禁强行穿入，当不能自由穿入时，可用铰刀进行扩孔。扩孔前，应首先将四周螺栓全部拧紧，使板迭密贴紧后再进行铰孔。扩孔数量不得超过一个接头螺栓孔数的25%，扩孔直径不得大于原孔径的1.2倍。严禁用气割进行高强螺栓的扩孔工作。高强度螺栓一般用两种方法拧紧，即扭矩法和转角法。扭矩法分初拧与终拧二次拧紧。为减少初拧与终拧的高强度螺栓预应力的区别，一般先用普通扳手对其初拧，初拧扭矩一般为终拧扭矩的30%～50%，再用终拧扭矩将螺栓拧紧。若板层较厚，初拧的板层达不到充分密贴，还要在初拧与终拧间增加复拧。复拧扭矩和初拧扭矩相同或略大。转角法也分初拧与终拧二次拧紧，初拧扭矩用终拧的30%～50%进行，使接头的各层钢板达到充分紧贴，再在螺母和螺杆上面通过圆心画一条直线，然后用扭矩扳手转动螺母的一个角度，使螺栓达到终拧要求。转动角度的大小在施工前由试验确定。

3.2.4 防火涂料施工

3.2.4.1 防火涂料。本工程钢梁耐火极限要求为1.5 h，采用NCB-01型防火涂料刷1.5 mm即可满足防火要求。

3.2.4.2 涂装施工。钢结构涂装工程应在钢结构安装工程检验批和钢结构普通涂料涂装检验批的施工质量验收合格后进行。

涂装工艺、涂装遍数、涂层厚度等均应满足相关国家规范、标准及设计要求。待涂表面应清洁、干燥且无染物[4]。涂装前根据《钢结构工程施工质量验收规范》 （GB 50205—2001）的要求进行表面处理，确保底漆已完全固化。

中间漆施工前，必须确保底漆涂层完整，任何破损、漏涂或返锈区域均不允许进行环氧中间漆的施工。

底漆、中间漆及面漆均为双组分产品，施工单位应严格按照制造商提供的施工工艺进行实施，超过混合使用期的产品不得继续使用。油漆供应商提供持有NACE 2级认证的现场技术服务协助油漆施工和检查。

涂装完成后，漆膜表面应光洁，厚度均匀，无皱皮、流坠、针眼、气泡、脱皮、返锈等现象。构件表面不应漏涂、误涂。

若涂装过程中前道漆膜受损或其他原因使得漆膜的质量不能保证或难以保养，则应去除漆膜，使钢材表面恢复原状后重新按照正确的工艺步骤进行涂装。

4 施工注意事项

4.1 精确测量

有限空间内，钢结构施工必须对已有构筑物进行精确测量，消除构筑物主体偏差引起的施工偏差[5]。施工时，采用红外测量仪器对已竣工的钢结构进行空间定位，然后导入Tekla软件进行建模深化，将构件尺寸规格表送至工厂加工，减少构件加工误差，现场无须二次切割、焊接，节约人工、机械费用。

4.2 构件运输

老旧小区或工业建筑承载能力有限，采用垂直运输还是水平运输，需要根据原有建筑承载能力考虑。本工程地下室顶板设计荷载为350 kg/m2，为减少水平运输设备对顶板的影响，施工时采用小拖车运输，自行剪叉式作业平台进行高处焊接作业，先将耳板焊接，然后采用手拉葫芦吊装，人工调整钢梁运送至耳板处，先采用冲钉固定，再采用高强螺栓固定连接。传统工艺采用运输车运输，但吊装受净高限制，吊车无法作业，仍需要采用手拉葫芦吊装，且需要搭设满堂支撑架对地下车库顶板加固。

4.3 焊接残余应力处理及变形控制

4.3.1 残余应力及变形影响。钢结构焊接时，焊缝密集，且材料强度等级高，延性降低，加之板厚大，拘束大，使焊缝不能自由收缩，产生的残余应力较大，甚至可能超过钢材的屈服强度，焊接残余应力与外部荷载产生的应力叠加。如果是拉应力叠加，且处于双向或三向拉应力状态，则不仅会使钢材脆性增加，延性降低，而且加大了钢材产生裂纹或层间撕裂导致脆性断裂的风险。如果是压应力叠加，部分截面提前达到受压屈服强度而进入塑性受压状态，由弹性受力状态的截面承担外部荷载，降低了结构刚度，对保证构件的稳定不再起作用，降低了结构的整体稳定性。

4.3.2 控制措施。先焊接收缩量大的焊缝，待收缩量大的焊缝自由收缩完全并缓慢冷却之后，再焊接收缩量小的焊缝，以达到减小焊接残余应力和变形的目的;严格控制焊接热输入（不超过50 kJ/cm），降低钢材的热敏感，以达到不降低钢材的塑性和韧性的目的;采用对称焊接，使构件的焊接残余应力和变形趋于相对平衡的状态;采用分段退焊，不仅减小热输入量，还可以减小焊接残余应力和残余变形;焊前预热，使钢材在焊接过程中的温度趋于均匀，从而减小焊接残余应力。

5 应用效果

本工程钢结构夹层改造工程钢结构总重约200 t，施工工期约30 d。施工期间，通过监测点定时进行监测，原有建筑结构无变化，钢结构围护结构无裂缝产生，地下室顶板无裂缝产生，施工期间粉尘、噪声、固体废弃物污染少，周边居民无投诉现象，改造质量可控。钢结构夹层横梁施工如图7所示，完成的效果图如图8所示。

6 结语

本文以花垣县城南保障性安居工程配套基础设施建设项目——农贸市场为研究对象，探讨钢结构夹层的技术难点，分析其在老旧小区改造中的应用。结果表明：老旧小区改造过程中，钢结构的应用可大大减少混凝土等湿作业带来的污染和影响，减少等强时间造成的居民生活不便。需要注意的是，在老旧小区改造过程中，要尽量减少对原有结构的破坏，如减少植筋对原有混凝土及钢筋的损坏，减少对梁柱节点的破坏，减少对防火涂料、节能保温材料的破坏，减少对现有公共财产的破坏，完善设计审核机制，优化节点连接方式，保证结构合理。

参考文献：

[1]张由，严志钢，周伟，等.老旧厂房增设钢夹层的加固设计[J].重庆建筑，2017（6）：54-55.

[2]陈正吉.钢结构在既有建筑室内增层改造中的应用[J].城市建筑，2020（18）：129-131.

[3]徐波.某高层酒店加层改造的结构方案及梁柱节点构造[J].建筑结构，2006（3）：4-6.

[4]王云，王宏斌，袁泉，等.钢结构在已有建筑改造中的应用[J].工业建筑，2001（2）：60-61.

[5]石江涛.双柱联合基础设计中的问题解析[J].建筑结构，2017（1）：1096-1098.