多层钢结构楼房检测鉴定及加固设计.pdf

第 43 卷 第 8 期 2013 年 4 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 8 Apr． 2013 多层钢结构楼房检测鉴定及加固设计 张德华， 张哲辉， 谷伟平 广州市鲁班建筑集团有限公司，广州 510665 ［摘要］结合工程实例， 通过对既有钢结构的详细检测及分析， 阐述了钢结构工程施工中存在的典型问题， 并对加 固方法进行了分析， 确定了合理的加固设计方案。采用外包钢筋混凝土和新加锚筋式承台静压桩分别对框架梁、 柱和基础进行了加固设计和施工。经过结构静载试验及建筑使用情况监测， 证明加固设计方案达到了预期的效 果， 可为其他同类工程提供参考。 ［关键词］钢结构检测;加固设计;外包钢筋混凝土;静压桩;静载试验 中图分类号 TU392. 1文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 08- 0078- 04 Detection and reinforcement design of a multistory steel structure Zhang Dehua，Zhang Zhehui，Gu Weiping Guangzhou Luban Construction Group Co． ，Ltd． ，Guangzhou 510665，China Abstract Combined with a practical project，based on the detailed inspection and analysis of the existing steel structure， the typical problems of steel structure construction were elaborated． The on reinforcement was analyzed，and a reasonable reinforcement design scheme was identified． Outsourcing reinforced concrete and added anchored pile caps static pressure piles were respectively used for the design and construction of frame beam，column and foundation． By structure static load test and usage observation of the building，it is proved that the reinforcement reconstruction design has achieved the expected objective． This can provide beneficial reference for similar engineering． Keywords steel structure inspection;reinforcement design;outsourcing reinforced concrete;jacked pile;static load test 作者简介 张德华， 学士， Email andyziang 21cn． com。 1工程概况 某大型商场内中庭加建的钢框架结构， 建于 2011 年， 总建筑面积约 12 180m2， 地下 1 层， 地上 6 层， 各层层高为 负 1 层 4. 20m， 1 层 6. 00m， 2 ～ 4 层 4. 80m， 5 层 4. 2m， 6 层 4. 3m， 为上人屋面。结构平 面形状为 L 形， 1 ～ 6 层承重框架柱为箱形钢柱， 负 1 层为型钢混凝土柱， 主要为 H 型钢梁， 楼板为楼承 板， 基础为桩基础。原结构标准层平面如图 1 所示。 主体结构完工后， 因业主对钢结构的施工质量或材 料质量有怀疑， 为彻底了解该钢结构的施工质量及 安全可靠性、 确保使用安全， 对该楼房进行质量及安 全检测鉴定， 并根据检测结果及现行规范对该钢结 构进行了加固设计与施工。 2原钢结构质量安全检测鉴定 结合现 场 实 际 情 况 及 相 关 现 场 检 测 技 术 标 准 ［1］制定了相应的质量检测方案， 通过对结构外 观、 焊缝、 连接质量、 材料质量、 结构安装偏差及变形 等方面的检测， 得出以下结论。 2. 1 尺寸量测 各楼层层高及钢结构轴线尺寸、 构件详细尺寸 与原设计基本一致， 符合原设计要求。 2. 2 钢结构外观质量 1 钢材的表面未发现有明显的裂纹、 锈蚀、 麻 图 1原结构标准层平面图 点或划伤等质量缺陷， 基本符合设计要求。 2 焊缝外观质量较差。框架梁之间刚接节点 翼缘的焊接不符合原设计翼缘为全熔透坡口焊接的 设计要求; 在 2 层及 5 层钢柱对接焊缝的表面上可 清晰地发现表面气孔、 表面夹渣、 未焊满、 咬边、 接头 不良等现象 图 2 ， 外观质量不符合设计及规范的 要求。 3 高强度螺栓连接外观质量合格， 基本满足 第 43 卷 第 8 期张德华， 等． 多层钢结构楼房检测鉴定及加固设计 图 2钢柱驳接节点 图 3钢主梁连接节点 图 4主次梁刚接连接节点 设计及规范要求。 4 涂层表面未发现明显的漏涂， 表面未发现 明显的脱皮、 泛锈、 龟裂和起泡等缺陷， 防火涂层的 厚度不足， 不满足设计及规范要求。 2. 3 焊缝质量 钢柱对接焊缝不符合设计要求及钢结构工程 施工质量验收规范 GB 502052001 的要求; 焊 缝内部缺陷超声波探伤评定等级为 Ⅳ级， 不符合 钢焊缝手工超声波探 伤方 法和探伤 结 果 分 级 GB 1134589 标准Ⅰ级焊缝质量要求， 不符合设 计要求。 2. 4 结构连接质量 各层钢结构框架梁之间的连接基本未按原设计 要求对翼缘进行焊接 图 3 ; 框架梁与次梁之间刚 性连接节点 图 1 未按原设计要求安装及焊接， 翼 缘之间未焊接， 加劲肋未抵至次梁下翼缘 图 4 ; 钢 柱对接连接焊缝质量不合格， 即钢结构主要结构构 件的连接不符合设计要求。 2. 5 结构变形 钢结构各层框架钢梁、 钢柱均出现较严重的因 安装施工不当引起的变形及接口错位等现象， 施工 偏差明显超过规范允许值， 大部分钢柱有明显的垂 直度偏差， 不符合原设计及规范要求， 见图 2， 3。 2. 6 原材抽检结果 经现场抽取原材送检， 根据检验报告， 原材质量 检验结果为合格， 符合设计及规范要求。 2. 7 小结 鉴于以上几点检测结果， 综合评定该钢结构主 体施工质量不合格， 整体结构安装有严重偏差， 不符 合设计及验收规范要求， 存在严重的安全隐患， 须进 行加固设计与施工。 3加固设计 根据检测结论及分析结果， 通过对加固方案的 适用性、 可靠性、 可操作性、 施工周期和经济性等多 方面的综合考量， 确定针对钢结构框架梁、 柱及相关 连接节点的最优加固方案。 3. 1 框架钢柱、 钢梁加固设计 由钢结构体系特点可知， 不宜在结构构件服役 受力状态下进行大量焊接处理， 而且采用焊接加固 方法仍无法纠正原结构的安装施工偏差等问题。考 虑到商场空间较大， 经综合分析采用外包钢筋混凝 土法对钢框架梁、 柱进行加固处理 ［2］， 在避免对原 结构大量焊接的同时， 混凝土层亦可兼作防火层， 具 有节省工期、 坚实可靠等特点。 1 钢柱的加固设计 各层框架钢柱存在垂直度偏差及驳接位施工质 量不合格等问题， 加固处理后， 可有效提高框架柱承 载能力及刚度， 同时通过外包混凝土层恢复框架柱 垂直度。以轴瑏瑣 /柱为例详细介绍加固设计方法。 建筑物耐火等级为一级， 钢柱耐火极限为 3h， 根据相关防火规范 ［3］， 钢柱以混凝土作保护层其厚 度不小于 12cm。现取 150mm 作为外包混凝土层厚 度， 满足防火保护层厚度要求， 增加的主筋及箍筋形 式见图 5。其中 2 层、 5 层为钢柱驳接节点层， 因检 测结果不合格必须先进行局部加固处理， 因此先在 柱驳接位置采用四围加焊钢板的方法局部加固， 见 图 6。 图 5钢柱加固截面图 计算加固柱结构时， 原钢柱不考虑同时参与计 算， 即假设原钢柱失效， 柱按混凝土箱形截面等效为 惯性矩和面积都相等的工字形截面计算强度及配 筋。计算得出各内力参数如表 1 所示。 97 建筑结构2013 年 图 6钢柱驳接节点加固立面图 图 7钢框梁加固设计 加固后框架柱有了较大的安全储备， 能确保结 构各项指标达到规范要求， 柱的稳定性及刚度得到 了有效提高。使用该方法加固达到了安全要求， 且 施工相对较简单快捷。 1 层轴瑏瑣 /柱加固内力参数 表 1 轴压比 剪力 /kN 受剪承载力 /kN 弯矩 / kNm 受弯承载力 / kNm 0. 862941 239249465 2 钢梁的加固设计 对框架钢梁加固时应充分利用原钢梁， 构成完 整的钢骨混凝土结构， 但实际上钢梁对接点翼缘未 做焊接连接， 不能保证完整有效地传递弯矩、 剪力 等， 需弥补此缺陷。经综合分析， 采取在缺陷部位增 加过渡筋及局部箍筋加密的方法解决该问题， 避免 焊接作业。按 SATWE 模拟计算结果配置型钢混凝 土框梁及悬挑梁跨内主筋及箍筋， 再浇筑混凝土， 外 包混 凝 土 厚 度 梁 底 增 加 50mm、 梁 侧 每 侧 增 加 80mm， 具体加固结构大样如图 7 所示。对于上下翼 缘过渡筋的配置， 则不考虑型钢作用， 按钢筋混凝土 框架梁 SATWE 模拟计算结果进行配置， 其锚固搭 接长度按规范， 保证该加固方案的经济可靠 ［4］。 框架梁柱的加固施工作业应按由下往上即从 1 ～ 6 层逐层进行， 若需整体施工， 则需有足够的施工 安全措施及更为可靠的监测措施， 同时应注意以下 几点 1 首层柱加固纵筋需按规范要求植筋植入下 层混凝土柱顶; 钢柱驳接处的局部加固焊接不应整 体同时施工。 2 梁加固过渡钢筋采取点焊方式固定于原钢 梁上; 主钢筋遇主次梁节点时应开孔穿过次梁节点 板; 梁加固混凝土浇筑时局部开凿楼板， 但开凿原楼 板应跳开分段进行。 3. 2 部分钢梁节点加固措施 1 主次梁刚性连接节点部位采用补焊方式进 行加固处理。施工时应尽量减少该项焊接对整体结 构安全的影响， 调整好该项施工顺序。补焊时要求 对原梁底作临时支顶， 卸荷情况下施焊， 上翼缘施焊 需局部开凿楼板。 2 位于轴瑏瑣 / 2 /A 柱附近的悬挑部位， 其悬 挑跨度相对较大 约 4. 8m ， 因此该部位额外增加 钢牛腿进行加固处理， 同时应使加劲肋抵至下翼缘。 3. 3 基础加固设计 建筑原结构基础均为桩基础， 因加固后结构整 体自重荷载增大， 经验算原有部分桩基承载能力明 显不足， 需要对部分基础采取补强措施。采用新增 锚筋承台锚杆静压桩法 ［5］对 8 个承载不足的桩基 础进行补强， 以有效增加原桩基础的承载能力， 其中 原四桩承台的基础加固平面大样及剖面见图 8。 图 8基础加固设计图 新增承台采用化学植筋方式与原桩基础承台连 接， 植筋锚固长度应满足规范要求， 新旧承台间须进 行界面处理， 承台配筋按实际验算结果确定。加桩 08 第 43 卷 第 8 期张德华， 等． 多层钢结构楼房检测鉴定及加固设计 采用 219 8 钢管桩， 采用液压千斤顶施压压入， 单桩设计承载力为 400kN， 以施压荷载为 800kN 时， 半小时内桩沉降量不大于 2mm 作为收桩条件。其 中轴瑏瑣 /加固前后桩基础各项参数见表 2。 加固前后轴瑏瑣 /柱下基础各项参数对比表 2 参数桩数量 /根桩基承载力 /kN柱底标准压力 /kN 加固前49 2009 191 整体加固后610 0009 924 由表可见， 采用新加锚筋承台锚杆静压钢管桩 对原桩基础进行补强， 使桩基础承载能力满足要求， 达到了补强的目的。且该方法主要为干作业， 机械 设备较为轻便、 影响小， 施工时场地较为清洁。在施 工过程中， 还应注意以下几点 1 新加承台钢筋严格按规范要求进行植筋锚 固， 保证有效传力， 达到设计要求 ［6］。 2 为让新旧承台结构共同协调作用， 新旧混 凝土界面要求处理， 将旧混凝土表面凿毛， 深度宜为 10mm 左右， 凿毛后用水清洗干净， 并充分湿润。 3 钢管桩内须灌注素混凝土， 为了让新加桩 在施工完成后即刻起作用、 减小原基础沉降， 新加桩 封桩采用稳压封桩。 4 基础加固施工前应该设置好柱位的沉降观 测点。 4结构静载试验及后期监测 为验证已完成钢结构加固梁的工作情况， 以及 检查加固结构在原设计 正 常使 用 荷 载 的 标 准 值 3. 5kN/m2作用下梁的工作情况， 对加固梁进行了静 载试验。选取具有代表性的加固构件进行应变和变 形检测， 其中某长主梁的具体加载位置如图 9 阴影 所示， 检测仪表安装见图 10。 图 9长主梁加载区域 根据现场检测结果， 得出该长主梁跨中变形曲 线及钢筋应变增量曲线， 如图 11， 12 所示。 在正常使用荷载标准值作用下， 该长主梁跨中 图 10梁底检测现场仪器设备安装情况 图 11梁跨中加载 变形曲线 图 12梁主筋应变 增量曲线 最大挠度为 0. 25mm， 是跨度的1 /42 400， 远小于规 范规定的挠度限值要求; 跨中最大应变为 38με， 即 钢筋的应力为 7. 6MPa。可见加固后梁承载能力能 满足正常使用荷载要求， 安全性得到大幅提高， 说明 该加固方案起到了较明显的效果。 加固完成后对建筑做过全面的质量检查， 未发 现结构开裂等现象， 未发现不均匀沉降引起的房屋 损坏及其他异常情况， 证明加固结构是安全可靠的。 5结论 1 在钢结构的检测中， 综合现场实际情况， 应 保证基本项目检查落实， 检测结果能全面反映出结 构现状， 是否符合设计及规范要求、 是否安全可靠。 2 针对检测结论所反映出的结构问题， 根据 已建成钢结构的特点， 综合考虑结构性能及功能要 求， 通过对加固方案适用性、 可靠性、 施工周期等多 方面的综合考量， 确定有针对性的最优加固方案。 3 无空间限制情况下采用外包钢筋混凝土的 方法加固钢框架梁柱， 可系统解决钢结构施工不合 格、 安装偏差及防火等问题， 且能快速施工， 有效缩 短施工周期; 此外又能全面提高结构各项性能， 保证 结构更为安全可靠。本工程如期完成了施工工作， 证明了该施工方法适用可行， 为业主争取了宝贵时 间， 起到了良好的效果并取得了较好的经济效益。 4 考虑加固后结构自重的增加， 因此有必要 对原基础承载能力进行评估。对原承载能力不足的 桩基础采用新增锚筋承台静压桩法进行补强， 增加 下转第 73 页 18 第 43 卷 第 8 期梁岩， 等． 耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析参数研究 骨架曲线特征点试验值与计算值对比表 3 试件 文献［ 2］试件文献［ 3］试件 Z2Z3XZ8XZ9 轴压比0. 230. 230. 20. 2 锈蚀率 /4. 10 6. 205. 876. 56 屈服荷载 /kN 试验值13212536. 0835. 94 计算值127. 8123. 337. 9137. 49 比值0. 970. 991. 051. 04 屈服位移 /mm 试验值32. 810. 129. 91 计算值2. 712. 759. 859. 90 比值0. 900. 980. 971. 00 极限荷载 /kN 试验值15614942. 4541. 66 计算值140. 9136. 242. 5642. 10 比值0. 900. 911. 001. 01 极限位移 /mm 试验值8. 98. 416. 8521. 71 计算值7. 917. 5329. 5329. 08 比值0. 890. 901. 751. 34 破坏荷载 /kN 试验值132. 6126. 736. 0937. 62 计算值119. 8115. 836. 1735. 79 比值0. 900. 911. 000. 95 破坏位移 /mm 试验值18. 717. 247. 1842. 02 计算值16. 6315. 6058. 9357. 71 比值0. 890. 911. 251. 37 从图 5 和表 3 可以看出， 按本文方法研究的抗 震耐久性损伤参数计算的骨架曲线与参考文献试验 结果总体上吻合较好。当然从图 5 中也可以看出， 某些计算值与试验值有一定的偏差， 这主要是因为 构件的破坏形态会随着钢筋锈蚀程度的增大而发生 改变， 从而导致结构破坏状态下的破坏荷载和破坏 位移的试验值和计算值出现误差。 6结论 1 给出了因钢筋锈蚀造成结构截面几何损 伤、 混凝土和钢筋力学性能劣化的计算方法。 2 在已有的锈蚀钢筋混凝土粘结滑移试验的 基础上， 给出了锈蚀钢筋混凝土粘结滑移劣化系数 的计算公式， 验证了锈蚀率对钢筋和混凝土应变协 调关系的影响， 并建议抛开平截面假定对锈蚀钢筋 混凝土结构进行分析。 3 对耐久性损伤的钢筋混凝土结构进行抗震 分析时， 应综合考虑钢筋锈蚀后引起的钢筋力学性 能的变化、 混凝土力学性能劣化、 截面几何损伤、 粘 结滑移能力降低等因素。 参考文献 ［1］ LEEA H S， KAGET， NOGUCHI T， et al． An experimental study on the retrofitting effects of reinforced concrete columns damaged by rebar corrosion strengthened with carbon fiber sheets［J］． Cement and Concrete Research， 2003， 33 4 563- 570． ［2］ 贡金鑫， 仲伟秋， 赵国藩． 受腐蚀钢筋混凝土偏心受压 构件低周反复性能的试验研究［J］． 建筑结构学报， 2004， 25 5 92- 97． ［3］ 牛荻涛， 陈新孝， 王学民． 锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗 震性能试验研究［J］． 建筑结构， 2004， 34 10 36- 38． ［4］ HAKAN YALCINER， SERHAN SENSOY， OZGUR EREN． Time-dependent seismicperanceassessmentofa single degree of freedom frame subject to corrosion［J］． Engineering Failure Analysis， 2012， 19 11 109- 122． ［5］ 惠云玲， 李荣， 林志伸， 等． 混凝土基本构件钢筋锈蚀 前后性能试验研究［J］． 工业建筑， 1997， 27 6 14- 18． ［6］ 吴胜兴． 钢筋混凝土结构锈蚀损伤研究综述［J］． 工程 力学， 2002， 22 S1 70- 88． ［7］ 张喜德， 韦树英， 彭修宁． 钢筋锈蚀对混凝土抗压强度 影响的试验研究［J］． 工业建筑， 2003， 33 3 5- 7． ［8］ GB 500102010 混凝土结构设计规范［S］． 北京中 国建筑工业出版社， 2011． ［9］ DAGHER H J， KULENDRAN S． Finite element modeling of corrosion damage in concrete structures［J］．ACI Structural Journal， 1992， 89 6 699- 708． ［ 10］ DU Y G，CLARK L A， CHAN A H C． Residual capacity of corroded reinforcing bars［J］．Magazine of Concrete Research，2005，57 3 135- 147． ［ 11］ ANDRADE C，ALONSO C，MOLINA F J． Cover cracking as a function of rebar corrosionpart-numerical model ［J］． Materials and Structures，1993，26 9 532- 548． ［ 12］ MASLEHUDDIN M，ALLAM I A，AL SULAINMANI G J，et al． Effect of rusting of reinforcing steel on its mechanical propertiesandbondwithconcrete ［J］． Materials Journal，1990，87 5 496- 502． ［ 13］ 吴庆， 袁迎曙． 锈蚀钢筋力学性能退化规律试验研究 ［J］． 土木工程学报， 2008， 41 12 42- 47． ［ 14］ 桂成． 锈蚀钢筋混凝土构件极限抗弯承载力及延性研 究［D］． 长沙 长沙理工大学， 2007． ［ 15］ 欧进萍， 何政， 吴斌， 等． 钢筋混凝土结构基于地震损 伤性能的设计［J］． 地震工程与工程振动， 1999， 19 1 21- 30． 上接第 81 页 了原基础承载能力。该方法施工轻便快捷、 影响面 小、 效果明显。 5 该加固工程竣工后， 通过对结构进行静载 试验及系统的质量检查， 认为加固后结构能满足正 常使用荷载要求， 整体结构未发现异常现象， 说明该 钢结构的综合加固方案是成功的。 参考文献 ［1］ GB/T 506212010 钢结构现场检测技术标准［S］． 北 京 中国建筑工业出版社， 2010． ［2］ JGJ 1382001 型钢混凝土组合结构技术规程［S］． 北 京 中国建筑工业出版社， 2002． ［3］ GB 5004595 高层民用建筑设计防火规范［S］． 北 京 中国计划出版社， 1995． ［4］ CECS 25 90 混凝土结构加固技术规范［S］． 北京 中 国计划出版社， 1990． ［5］ JGJ 1232000 既有建筑地基基础加固技术规范［S］． 北京 中国建筑工业出版社， 2000． ［6］ JGJ 1452004 混凝土结构后锚固技术规程［S］． 北 京 中国建筑工业出版社， 2004． 37