日光温室钢骨架端部锈蚀后的加固与修复技术

2022-01-28周长吉农业农村部规划设计研究院北京100125

农业工程技术 2021年31期

周长吉（农业农村部规划设计研究院，北京 100125）

钢骨架是日光温室承力结构中的核心构件。日光温室结构中90%以上都采用了钢骨架，在现代轻简化组装结构中更是全部使用钢骨架。广义的钢骨架包括圆管钢骨架、椭圆管钢骨架、外卷边C 形钢骨架以及用圆管、钢筋、C 形钢做弦杆组装或焊接而成的桁架，温室结构可以是全钢骨架，也可以是钢骨架与竹木骨架间隔布置的混合材料结构。钢骨架最大的特点是钢材韧性好、承载能力强，构件截面小、室内遮光少，经过热浸镀锌表面防腐后材料抗腐蚀能力强、使用寿命长，因此具有较高的性价比。但日光温室骨架所用钢管或型材均为薄壁材料，壁厚多在2 mm 以内，在高温高湿的温室环境中，一旦表面镀锌层出现破损，构件将会很快被腐蚀。事实上，造成温室钢结构腐蚀的因素除了高温高湿空气环境外，空气中的高CO2浓度也是造成钢结构腐蚀的一个重要诱因。此外，钢骨架两端与墙体和基础部位由于接触到混凝土或土壤，在高盐和高水分环境中腐蚀的速度更快[1]。

图1 和图2 分别为不同形式钢骨架与温室后墙顶面圈梁（梁垫）和前屋面骨架基础连接处骨架的腐蚀情况。由此可见，温室骨架与混凝土基础或圈梁连接点是钢结构骨架遭受腐蚀的最薄弱部位。本文就如何避免该连接点钢构件腐蚀以及发生节点腐蚀后如何修复或加强骨架保证结构安全性的一些措施和方法做了综合梳理，可供温室设计和建设者借鉴和参考。

图1 钢骨架在温室后墙顶面圈梁（梁垫）连接处的腐蚀情况

图2 钢骨架在温室前屋面骨架基础表面连接处的腐蚀情况

立柱加固法

立柱加固法就是在温室骨架下附加立柱，用立柱部分或全部替代墙体或基础来支撑整个屋面结构。从立柱设置的持久性可分为临时立柱和永久立柱两种，前者主要设置在温室屋面骨架的中部（或中前部），后者则主要设置在温室屋面骨架的两端。

前屋面骨架中部临时立柱加固法

临时立柱可设置在骨架的任何部位，一般设置在骨架变形较大部位或前屋面骨架的中部，可以是单根柱，也可以是多根柱（图3）；所用材料可就地取材，可以是圆木（图3a），但更多的是使用钢管；立柱可以是单管直立（图3a）、斜立（图3b），也可以是双管交叉支撑（图3c）；立柱可以按照一定的间距规则设置，也可以根据前屋面骨架的变形情况在变形大的拱杆下局部设置。总之，临时立柱设置具有较大的随机性，一是设置的方式可以是随机的；二是设置的时间也可以是随机的，一般在下大雪或刮大风预警时临时设置，风雪过后为便于作业在保证结构不变形的情况下也可将其拆除。

图3 设置临时立柱

临时立柱对骨架的支撑方式也有多种形式（图4）。有的是将立柱直接支撑在前屋面骨架（图4a），但更多的是支撑在连接前屋面骨架的纵向系杆上（图4b、图4c）。前者可以精准支撑变形骨架，但对温室整体屋面的支撑作用小；后者则可以在更大的屋面范围内起到支撑骨架作用，立柱用量少，但支撑作用大。

立柱支撑屋面纵向系杆的连接方式有直接连接（图4b）和通过过渡连接件连接（图4c）两种。前者纵向系杆支撑点局部应力较大，而采用柱顶槽钢（或半圆管、C 形钢、钢板折板等）支撑纵向系杆后可以有效分散支撑点的应力，更有利于提高结构的整体承载能力。

图4 临时支柱在骨架上的支撑点及支撑方式

屋面骨架端部永久固定立柱加固法

在屋面骨架的中部或中前部设置临时立柱主要是避免由于结构的整体强度不足造成骨架过大变形或失效，这种临时加固方法如果用于加固因骨架两端锈蚀而可能造成屋面结构失效或倒塌情况，则临时加固立柱变成了不可拆除的支柱，实际上也就变为了永久加固立柱。

对于屋面骨架整体承载能力能够满足结构承载要求，而仅由于两端的锈蚀使结构失效或有失效危险时，常采用骨架两端设置固定立柱的永久加固方法。

永久固定立柱设置的方法可分为两类：一类是下端支撑在地面基础上的长立柱（图5）；另一类是下端支撑在墙面或通过过渡件支撑在墙面或地面的短立柱（图6～7）。按照立柱支撑的位置可分为前立柱和后立柱，前立柱设置在屋面骨架的前部基础内侧，支撑前屋面骨架的前端；后立柱设置在温室后墙内侧，支撑后屋面骨架的后端。设置两端立柱后，屋面骨架可以完全脱离后墙和基础，从而有效解决了骨架两端由于锈蚀而无法将骨架内力传递到墙体或基础的问题。

图5 长立柱支撑骨架端部

（1）长立柱

设置长立柱时，为了减少立柱的数量（目的是为了节约成本，或更多是为了便于室内作业），立柱柱顶与屋面骨架基本不采用立柱与骨架一一对应的支撑形式，而是采用柱顶梁的过渡支撑方法，立柱支撑柱顶梁，柱顶梁再支撑屋面骨架。其中柱顶梁的形式有通长的横梁（图5b）和断续的支撑杆（图5c）两种形式。柱顶梁用材可以是钢管或角钢，立柱材料多用圆钢管。

柱顶梁与屋面骨架以及与立柱的连接大都采用直接焊接的方式。这种施工方式现场作业方便，也具有较大的灵活性，尤其适合于骨架锈蚀不规则，甚至在安装和运行过程发生位置偏差的情况。柱顶梁与屋面骨架连接时要求焊接点位置离开骨架锈蚀位置一定距离，焊接后应除去焊渣并对焊接节点进行防腐处理。在未来的研究中应积极开发系列化的组装卡具，以彻底解决现场焊接破坏构件表面镀锌层的问题[1]。

长立柱下部的固定一般采用独立基础（图5a），为避免立柱基部积水，要求基础表面应高出温室地面。

（2）短立柱

与长立柱设置不同，短立柱设置基本与屋面骨架一一对应，而且立柱与骨架是直接连接。根据屋面骨架的型材不同，短立柱材料可以是圆管（图6a）、方管（图6b、图6c），甚至是钢筋（图7）。短柱的长度应尽量短，以满足两端稳定支撑为原则。

图6 用短柱支撑骨架端部

短柱上部与屋面骨架相连接，可以是焊接，也可以是栓接，对改造工程而言，焊接居多。短柱下部的固定有两种方法：一种是独立分散地将短柱直接固定在温室后墙面上（图6a、图7c），即在温室的后墙面上短柱下端所在位置安装一块钢板或角钢（可以用膨胀螺栓固定，也可以在墙内打入长钢筋来固定），将短柱的柱脚焊接在该固定钢件上；另一种是将所有的短柱统一固定在柱脚下部沿温室长度方向通长设置的横梁上，该横梁可以是方管（图6b、图6c），也可以是角钢（图7a），短柱用于支撑后屋面骨架时横梁设置在后墙内表面（图6b、图7a），短柱用于支撑前屋面骨架时横梁设置在温室地面上（图6c）。横梁在温室后墙面上的固定可以采用长钢钉将其钉挂在墙面上（图6b），也可以在墙面上先固定钢板件，然后用角钢片支撑横梁，并将其与钢板片焊接在一起。用于支撑前屋面骨架短柱的横梁，如果地面为混凝土可直接铺卧在温室地面上（图6c），如果地面为自然土壤，则应在横梁下间隔一定距离设置混凝土独立基础。在独立基础上预埋连接件，将横梁与基础埋件相连接。

由于骨架的腐蚀都发生在与墙面或基础接触的位置，所以用短柱加固屋面骨架时，短柱的上端总要离开骨架基部一定距离，这样从外表看短柱在竖直方向都会有一定倾斜角度，一般与竖直线的夹角在5°～10°。

采用钢筋做短柱时，由于钢筋截面小、承压能力差，一般是在骨架的两侧设置双根钢筋进行加固（图7）。钢筋立柱的下端多采用角钢固定，上部与骨架的连接基本是采用焊接。

图7 用双钢筋做短立柱支撑骨架端部

更换骨架法

更换骨架法就是用全新的骨架去替换腐蚀的骨架，实际上是对骨架的全面翻新。具体实践中，骨架翻新的方法有两种。一种是保留原骨架，在相邻两根原骨架之间增设新骨架（图8），这种做法新旧骨架的外形尺寸完全相同，由此也就完全保留了原温室的温光和结构性能。这种做法的优点是节省了拆除旧骨架的成本，但缺点也很明显，就是温室屋面骨架数量翻倍，骨架的遮光面积也同时翻倍，此外旧骨架由于表面锈蚀，容易引起屋面覆盖塑料薄膜表面老化或破损，因此，在经济条件允许的情况下应尽可能拆除旧骨架。

图8 保留旧骨架增设新骨架

另一种翻新骨架的办法就是拆除老旧骨架，用全新的骨架代替老旧骨架[2-4]。由于老旧骨架温室设计和建设的时代都比较久远，受建设时期温室研究和设计水平的限制，温室的温光性能较现代温室都有差距，因此，新更换温室骨架时实际上是对老旧温室的一种全新改造，不仅要更换温室骨架，而且可能要提高后墙高度或者加大温室跨度，对温室的脊高和后屋面长度等设计参数都会根据最新的研究成果进行重新设计，由此也将大大提高温室的温光性能。值得注意的是由于老旧温室改造基本不会改变原温室的位置，所以，在加大温室跨度、提高温室后墙高度或脊高时一定要准确测算前栋温室对后栋温室的遮光，确保种植作物在种植季节所要求的光照时间。

节点修复法

节点修复法就是对锈蚀的节点进行局部处理以恢复其原有功能。由于锈蚀杆件完全失去了结构的承载能力，修复节点也就是要将这些锈蚀的杆件局部进行功能性更换。这种功能性更换的方法包括完全切除构件的腐蚀部位并在原位更换同规格的新构件和保留原锈蚀构件另外增设新的构件或构造措施与原构件非锈蚀部位相连接的方法[5]。

实践中，切除锈蚀部位并用新的构件替代锈蚀部位的做法称之为“断肢再生法”（图9a）。具体施工方法就是切除锈蚀部位，用相同规格的构件焊接到原骨架的切口即可。这种做法对前屋面骨架只要揭开塑料薄膜即可施工改造，但对于后屋面骨架则需要整体拆除温室后屋面，施工工程量较大，但更换的效果应该最好。为了解决更换骨架锈蚀部位需要拆除温室屋面的问题，实践中大都是保留原骨架而在骨架锈蚀部位进行局部功能性更换。

与“断肢再生法”相类似的功能性更换方法包括原路“搭桥”法（图9b）和旁路“搭桥”法（图9c）。原路“搭桥”法是在原骨架锈蚀构件旁侧并行焊接一根同规格的新构件，而旁路“搭桥”法新构件的设置位置和方向不受锈蚀原构件的约束，根据温室具体可承载位置确定，生产中更具有操作上的灵活性，但结构的传力效果远不及原路“搭桥”的方法。

图9 局部更换或替代腐蚀骨架

对于锈蚀范围不大的骨架，可不必进行构件大范围的功能性更换，只要在节点局部进行加强即可实现对锈蚀部位构件功能的替代。这些做法包括如同原路“搭桥”法类似的并联钢管加强法（图10a）、焊接单支角钢加强法（图10b）和焊接多支角钢加强法（图10c），或许还有更多的方法。这些方法最大的好处是不必拆除或切断原有构件，因而工程改造的工程量小、费用较低，但由于改造节点基本都是焊接处理，所以对焊接后焊点的表面防护将非常重要，如果对焊点不进行表面防护，改造节点将很快锈蚀，又会重蹈改造的覆辙。

图10 骨架锈蚀端部局部加强法

避免骨架基部锈蚀的方法

从骨架锈蚀的机理分析，造成骨架锈蚀的原因：一是骨架基部集聚了大量冷凝水使金属构件长期处于潮湿环境；二是骨架基部与混凝土或土壤接触，其中的盐分对金属构件形成腐蚀。为了避免骨架基部的腐蚀环境，实践中，有人在骨架基部涂刷沥青等疏水性表面保护涂层（图11a），使金属构件表面远离水膜侵蚀；也有人在骨架设计中采用钢筋混凝土短柱做基础，将其伸出地面一定高度后与屋面骨架绑扎连接（图11b），这种做法可将屋面骨架的金属构件完全脱离地面土壤，骨架与混凝土短柱之间的连接不是直接连接而是采用绑扎连接，从而显著降小了二者之间的接触表面，进而有效降低了金属构件被腐蚀的几率，使温室骨架得到有效保护。