幕墻構架鋼結構加固設計與施工要點分析

呂雪瑞，張 坤

西安石油大學，陜西 西安 710065

鋼結構作為一種主要的建筑結構類型之一，具有自重輕、抗震性能好、施工便捷等特點，在進行大跨度、大荷載的商業綜合體幕墻體系設計中，常被選為幕墻支承結構以滿足設計對承載力和穩定性的要求。但在工程實踐中由于設計或施工中的不當往往會造成鋼結構的某些缺陷，因此必須采用有效的方式對原鋼結構進行加固。本文以某商業綜合體幕墻鋼結構加固工程為例，介紹了鋼結構加固措施的具體應用。

1 工程概況

本工程加固對象為某商場幕墻構架鋼結構，主體建筑結構體系為現澆鋼筋混凝土框架結構。其中幕墻構架鋼結構位于東南角，總重量89t，使用鋼材材質為Q345，總長42m，高度約13m，共7層桁架。1、2層主桁架通過6個支座支承在下部鋼筋混凝土主體上。3至7層為次桁架，其中5至7層為出屋頂桁架。

因前期施工缺陷，幕墻鋼結構施工出現與原設計不符的問題，因此業主要求進行加固設計。為如實反映既有鋼結構情況，需要對原結構進行檢測。結合檢測結果構建模型進行承載力復核計算，并針對結構薄弱點進行加固設計，以滿足幕墻鋼結構的荷載要求。

2 工程檢測

根據現場初步查勘，既有幕墻鋼結構的施工與設計的鋼構坐標定位偏差較大，鋼結構焊縫成型較差。通過對現況鋼結構節點及質量檢測發現：

（1）鋼結構節點錯位。現況節點坐標與原設計偏差為5～89cm不等，構件長度不足且均未設置加勁板。

（2）鋼結構焊縫、材質力學性能、型鋼厚度均不滿足規范要求。現場所檢部分焊縫不合格率93%。現場所檢構件型鋼壁厚、材質強度大部分不滿足國家規范及設計要求。

故應在加固工作前，應對原有檢測不合格的焊縫進行補焊，并對桿件拼接未采用內襯板焊縫的部位采用外加拼接板加強。

3 結構建模

3.1 荷載取值

（1）永久荷載主要考慮承受采光頂和結構自重，采光頂按恒荷載 0.8kN/m2，活荷載0.5kN/m2計算，主結構自重由程序自動計算。

（2）可變荷載：風荷載按50年一遇基本風壓設計，為0.35kN/m2，底面粗糙度類別為B類。雪荷載按50年一遇基本風壓設計，為0.25kN/m2，

（3）地震作用：本工程多遇地震、設防地震和罕遇地震，抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，設計基本加速度為0.2g，多遇地震影響系數最大值為0.16，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.4s。鋼結構抗震按4級要求考慮。

3.2 桿件截面尺寸

原幕墻構架鋼材截面尺寸及材料、數量如表1所示。根據前期現場實測檢測結果，實際鋼材強度不能完全滿足規范要求，考慮計算時對鋼材強度進行60%折減。

表1 現場鋼材型材表

3.3 模型建構

結合實測數據，采用PKPM軟件建立模型對原鋼結構承載力進行復核計算。

4 既有鋼結構核算分析

按照鋼結構設計標準［1］，對既有鋼結構承載力驗算。計算結果顯示，在焊縫合格狀態下，結構整體X/Y向剛度比和剪切剛度、地震作用下結構框架剪力、層間水平傾覆力矩、層間位移角、撓度均能滿足要求，沒有超限的情況。在鋼結構的抗傾覆和整體穩定性計算中，剛重比為1.37和1.62，均大于0.7，滿足規范要求，說明結構屈曲穩定系數較高，有一定的安全儲備。鋼結構的整體穩定性、撓度變形、抗震性能基本滿足使用要求。

但是由于桿件材質問題，各工況下部分桿件的高厚比、長寬比和應力比超過規范限值要求。支座處內力重分布，中間下部支座與東側上部支座反力超過設計。因施工坐標偏差導致支座懸挑過大，中間下支座處豎向荷載遠超設計值。表明實際鋼結構承載能力不滿足所需要求。為保證結構安全和幕墻安裝要求，需要對既有鋼結構薄弱點（支座、桿件）進行加固處理。

5 加固方案設計

結合鋼結構復核計算結果、加固規范和相關理論分析，提出不改變原鋼結構受力體系，通過加固桿件節點、替換部分桿件和支座、加強腹桿、增加斜撐、牛腿撐等方法進行加固。具體設計如下：

（1）節點加固：對未設置加勁板的節點補焊加勁板，未設置加勁板的邊角采用外貼鋼板法加固。

圖1 深梁加固圖

（2）桿件加固：①對實測結果顯示的節點處桿件錯位問題，桿件應力比超限情況，可采用增大截面、替換桿件方式進行加固。②對于桿件高厚比超限情況，采用鋼板補強的措施進行加固。對于桿件替換難度較大的底部橫梁，在原結構上增設深梁（圖1），通過焊接整塊鋼板增大桿件截面尺寸。

（3）支座加固：對支座處承載力不足的問題，采用支座替換并在原支座處增設牛腿增加承載力。

（4）鋼結構與混凝土連接加固：采用鋼斜撐加固，將部分荷載轉移到框架柱上以解決支撐混凝土承載力不足的問題。鋼斜撐下端與鋼板強悍，鋼板與柱體之間穿孔塞焊。

（5）根據加固規范［2］要求計算桿件內力，原結構名義應力|σ0max |＞0.55fy0，表明原鋼結構加固之前，需要卸載原有荷載。故使用臨時支撐結構，逐次單榀卸荷加固。

6 加固工程施工要點

（1）對原有檢測不合格的焊縫進行補焊并檢查驗收，所有焊縫按照規范［3］要求進行外觀檢查和超聲波探傷檢測。

（2）桿件節點加固前，使用胎架作為臨時支撐，確保構建在卸荷狀態下進行加固施工。進行桿件及支座替換施工時，對支座相鄰構建節點進行安全支護，保證拆除前后的結構穩定性。支座替換需同時配合硂加固支座預埋件。

（3）新增深梁加固施工時，鋼板深梁長度及蓋板開孔尺寸以現場實測為準。鋼板深梁施工時，水平支撐斷開，待深梁施工完成后，用10厚鋼板包裹焊接并與深梁、原結構焊接牢靠。

（4）施工全過程中對鋼架的變形、支座的位移量進行全過程檢測，發現異常情況立即停止作業，采取臨時支撐等措施。

7 結論

（1）對于施工缺陷造成的承載力不足問題，設計通過多措施并針對性加固，較好地增加了結構剛度和承載力。

（2）通過加固前的補焊工作和卸荷臨時支撐構件等施工措施，保證替換構件周圍結構的承載力和穩定性，不損害原有鋼結構。

（3）有序施工是保證施工安全和加固質量的關鍵，在加固設計中需要考慮施工的可實施性和帶來的各種影響。