钢-混凝土组合屋盖修复与改造设计*

2022-10-10刘小燕董三升

施工技术(中英文) 2022年17期

刘小燕，董三升，雷拓

(1.陕西建工第八建设集团有限公司，陕西西安 710068； 2.长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061)

0 引言

将钢筋混凝土结构与钢结构屋盖(架)组合使用，既充分发挥混凝土柱侧向刚度大和抗压性能好的特点，又发挥钢屋盖抗弯性能好、自重小和跨度大的优势[1]。该混合体系兼具钢筋混凝土和钢材优点，是经济高效的结构形式，在体育馆、机场航站楼和工业厂房等工程中得到广泛应用[2-6]。但目前尚未明确该类混合体系的受力性能和设计方法，加之施工过程中存在某些问题，导致采用该结构体系的安全事故偶有发生[7]。为尽可能地挽回经济损失，并保证结构安全可靠，故对下部采用钢筋混凝土结构、上部采用钢屋盖(架)的混合结构体系进行加固改造。本文结合某6层钢筋混凝土框架结构顶部宴会厅钢-混凝土组合屋盖坍塌实例，基于现场检测鉴定和验算分析结果，完成屋盖修复与改造设计。

1 工程概况

某6层钢筋混凝土框架结构顶部宴会厅平面布置呈矩形，东西长42.0m，南北宽24.30m，建筑面积约1 020m2。采用钢-混凝土组合屋盖体系，南北向主钢梁采用三段拼接式变截面实腹钢梁(共6榀)，主钢梁两端与原预留混凝土框架柱采用滑动支座进行连接；东西向布置HN400×200×8×13次梁。主、次梁钢材等级均为Q355B，框架柱及现浇屋盖板混凝土强度等级分别为C45，C30。屋盖结构平面布置如图1所示。本工程始建于2021年8月，于2021年12月竣工，即将交付使用时，屋盖局部发生坍塌事故，个别屋架钢梁发生侧移转动，主屋架钢梁拼接节点开裂，部分螺栓断裂、脱落。

图1 屋盖结构平面布置

2 检测鉴定分析

1)钢梁竖向挠度检测结果表明，本工程屋盖明显下挠，下挠最大处位于⑤轴主钢梁。竖向挠度是由主钢梁拼接节点下部螺栓拉断破坏后引起主钢梁刚体转动造成的。

2)主钢梁拼接节点检测结果表明，部分主钢梁拼接节点发生开裂，螺栓断裂、脱落，其中⑤轴节点破坏最严重，节点上下错位最大距离为130mm。

3)主、次梁连接节点检测结果表明，除⑤轴主钢梁破坏拼接节点东侧南、北跨主钢梁与次梁节点发生破坏外，大部分主、次梁连接节点未出现明显破坏。

4)牛腿和滑动支座检测结果表明，钢牛腿、柱顶预埋板未发生明显损伤。②～⑤轴滑移支座明显倾斜，且倾斜方向基本向主钢梁跨外方向，其中⑤轴支座破坏损伤最严重。①，⑥轴滑移支座未见明显倾斜，但支座四角立杆均出现明显变形。

5)屋盖荷载检测结果表明，测点荷载平均值为3.80kN/m2，较设计屋盖做法荷载平均值增加14.5%。

6)材料强度检测结果表明，混凝土柱、钢梁及高强螺栓材料强度均满足设计要求。

7)PKPM软件验算分析结果表明，原设计将混凝土柱-实腹钢梁体系按门式刚架设计，导致钢梁拼接节点设计错误，这是导致本次事故的直接原因。

3 修复与改造方案

结合检测鉴定分析结果，考虑现场施工条件，为最大限度节省工期和造价，制定以下加固措施。

1)鉴于主钢梁除拼接端板连接节点螺栓破坏外，未发生明显变形，材料强度满足设计要求，更换主钢梁难度较大且没必要，因此对坍塌的屋盖主钢梁进行加固，继续使用。

2)鉴于原混凝土现浇屋盖板做法超载，将原屋盖板拆除，改为双层金属复合板屋盖，并通过立柱进行找坡。

3)鉴于次梁基本完好，将原次梁改造为轻型屋盖支撑，并增加水平、竖向支撑系统。

4)重新设计所有主钢梁拼接节点。

5)更换所有主钢梁端部滑移支座。

6)对原混凝土柱上牛腿进行加固补强。

7)对原主、次梁焊缝进行补强，并更换所有连接高强螺栓。

4 主钢梁修复

4.1 提升方案

由于宴会厅位于框架结构顶部，无法利用起重机械完成主钢梁的提升修复，现场采用8个可拆卸钢支架进行提升，每榀主钢梁搭设4个钢支架(见图2)。第1次提升①，②轴主钢梁，第2次提升③，④轴主钢梁，第3次提升⑤，⑥轴主钢梁。待前2榀钢梁加固施工完毕后，再拆除支架并移至另外2榀钢梁拆除位置处重新安装，重复施工。每榀主钢梁通过安装在钢支架上的6根5t倒链(梁端各1根，拼接节点两侧各1根)、6个5t千斤顶(梁端各1个，拼接节点两侧各1个)完成提升。

图2 钢支架立面布置示意

4.2 支架设计

根据提升方案，需设计8个钢支架。考虑到支架承载力及稳定性要求，支架平面尺寸取1 200mm×1 200mm，共分8层。为避免框架结构楼板直接承受支架荷载，支架底座采用井字梁进行布置，以便将支架荷载直接传至下部框架梁上。第6层为千斤顶安装层，位于屋架钢梁下方，具体位置需根据下挠钢梁现场标高进行调整。第8层为钢支架顶层，用于悬挂倒链，支架平面布置如图3所示。

图3 钢支架平面布置

支架底座、第6，8层水平杆件均采用型钢HW250×250×9×14，支架立杆采用φ159×5圆管，其余水平杆件、斜撑均采用∟80×80×5。为便于支架拆卸和移动，立杆分为3段下料，采用法兰对接。水平杆件及斜撑与立杆之间通过节点板进行螺栓连接。设计支架承受竖向荷载为100kN，不考虑风荷载和地震作用，经PKPM软件建模分析，支架杆件截面尺寸满足设计荷载要求。

由于宴会厅位于框架结构顶部，钢支架仅可搭设在原框架结构顶层楼面，故需对顶层楼面承载力进行验算，确保下部框架结构安全。分别对①，②轴主钢梁提升，③，④轴主钢梁提升，⑤，⑥轴主钢梁提升工况进行校核，结果表明，混凝土框架梁、板承载力和变形均满足GB 50010—2010(2015年版)《混凝土结构设计规范》[8]。现场施工过程中未发现下部框架梁、板混凝土开裂等现象。

5 屋盖结构改造设计

5.1 结构设计

由于原屋盖做法存在超载现象，且原屋盖坡度约为3.2%，不满足要求。因此在主钢梁提升完成后，恢复屋盖原有次梁，将原屋盖改造为双层金属复合板屋盖，并采用60mm×60mm×4mm镀锌方管支柱找坡至5%，支柱通过横向布置120mm×60mm×4mm镀锌矩管梁拉结，梁上纵向布置120mm×50mm×20mm×2mm屋盖板檩条。改造后的屋盖结构平面如图4所示。

图4 改造后的屋盖结构平面

将原屋盖改造为双层金属复合板屋盖后，为增强屋盖系统稳定性，按照GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震设计规范》[9]有关要求，在屋盖端部①，②轴及⑤，⑥轴开间主钢梁上翼缘布置水平支撑，并在①，②轴及⑤，⑥轴开间主钢梁下翼缘布置水平支撑；纵向设置水平系杆，并要求屋盖端部、屋脊处系杆通长布置；为增强上、下支撑间的共同工作性能，在①，②轴及⑤，⑥轴开间屋脊处主钢梁上、下翼缘间布置竖向支撑，各类支撑布置如图5所示。

图5 各类支撑布置示意

5.2 结构验算

鉴于原框架结构设计时已考虑顶部宴会厅结构，进行整体计算分析，并预留钢筋混凝土柱，故本次计算仅分析宴会厅结构。依据改造后的屋盖结构布置，采用PKPM-V5.1.1版软件建立1榀屋架结构平面模型进行计算。计算模型中，混凝土柱高取7.8m，柱脚按刚接处理；主钢梁跨度取24.3m，主钢梁一端与柱采用固定铰接，另一端仅约束竖向位移，用于模拟水平滑动铰支座。屋盖恒荷载取0.30kN/m2，屋盖活荷载取0.30kN/m2，雪荷载取0.30kN/m2，基本风压取0.35kN/m2，另外考虑1.50kN/m2的设备吊挂荷载和20kN的吊灯荷载(每榀主钢梁跨中布置1盏吊灯)。抗震设防烈度取8度，加速度取0.2g。

改造前，现场屋盖恒荷载作用下主钢梁内力、变形和改造后主钢梁设计内力、变形对比结果如表1所示。由表1可知，主钢梁变形明显减小，改造后屋盖结构主钢梁最大应力比为0.58，跨中最大挠度为40.2mm，仅为计算跨度的1/617。

表1 改造前、后主钢梁内力与变形

5.3 主钢梁拼接节点设计

原主钢梁拼接节点设计如图6a，6b所示，其中端板厚度为35mm，加劲肋厚度为16mm，加劲肋外伸宽度为150mm，该形式适用于连接门式刚架结构中压弯构件的刚架梁，本工程主钢梁布置及做法显然不属于门式刚架结构。根据计算分析结果，重新设计主钢梁拼接节点，如图6c～6e所示。为尽可能利用原端板连接构造，在端板连接处的腹板上增设加劲肋，以增大腹板刚度；切除端板连接节点伸出上、下翼缘端板，增设上、下盖板。为减小盖板尺寸，盖板与上、下翼缘采用高强螺栓和焊接混合连接。其中上、下端板厚45mm，长790mm，宽450mm。加劲肋厚16mm，外伸宽度为165mm。

图6 主钢梁拼接节点

改造后的拼接方式较原端板连接方式的优点是不会发生本次坍塌事故中高强螺栓表现出的“解扣子”现象。GB 50017—2017《钢结构设计标准》[10]未规定该节点设计方法，参考文献[11]中描述了关于翼缘和腹板采用高强螺栓摩擦型连接的简化设计方法，假设梁拼接处的弯矩完全由翼缘承担，剪力完全由腹板承担，由此完成拼接节点设计。

6 支座设计

改造设计后主钢梁与柱一端选用普通固定球型铰支座，另一端选用单向滑动球型铰支座。根据计算分析结果，支座最大竖向反力为482kN，支座最大水平反力为71kN，最大水平位移为11.6mm。因此，支座选用参数为竖向压力1 000kN，水平力300kN，转角0.02rad，单向位移量为30mm，按照GB/T 32836—2016《建筑钢结构球型支座》[12]要求选取成品支座。