鋼-混凝土組合屋蓋修復與改造設(shè)計*

劉小燕，董三升，雷 拓

(1.陜西建工第八建設(shè)集團有限公司，陜西 西安 710068； 2.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061)

0 引言

將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)屋蓋(架)組合使用，既充分發(fā)揮混凝土柱側(cè)向剛度大和抗壓性能好的特點，又發(fā)揮鋼屋蓋抗彎性能好、自重小和跨度大的優(yōu)勢[1]。該混合體系兼具鋼筋混凝土和鋼材優(yōu)點，是經(jīng)濟高效的結(jié)構(gòu)形式，在體育館、機場航站樓和工業(yè)廠房等工程中得到廣泛應(yīng)用[2-6]。但目前尚未明確該類混合體系的受力性能和設(shè)計方法，加之施工過程中存在某些問題，導致采用該結(jié)構(gòu)體系的安全事故偶有發(fā)生[7]。為盡可能地挽回經(jīng)濟損失，并保證結(jié)構(gòu)安全可靠，故對下部采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、上部采用鋼屋蓋(架)的混合結(jié)構(gòu)體系進行加固改造。本文結(jié)合某6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)頂部宴會廳鋼-混凝土組合屋蓋坍塌實例，基于現(xiàn)場檢測鑒定和驗算分析結(jié)果，完成屋蓋修復與改造設(shè)計。

1 工程概況

某6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)頂部宴會廳平面布置呈矩形，東西長42.0m，南北寬24.30m，建筑面積約1 020m2。采用鋼-混凝土組合屋蓋體系，南北向主鋼梁采用三段拼接式變截面實腹鋼梁(共6榀)，主鋼梁兩端與原預留混凝土框架柱采用滑動支座進行連接；東西向布置HN400×200×8×13次梁。主、次梁鋼材等級均為Q355B，框架柱及現(xiàn)澆屋蓋板混凝土強度等級分別為C45，C30。屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。本工程始建于2021年8月，于2021年12月竣工，即將交付使用時，屋蓋局部發(fā)生坍塌事故，個別屋架鋼梁發(fā)生側(cè)移轉(zhuǎn)動，主屋架鋼梁拼接節(jié)點開裂，部分螺栓斷裂、脫落。

圖1 屋蓋結(jié)構(gòu)平面布置

2 檢測鑒定分析

1)鋼梁豎向撓度檢測結(jié)果表明，本工程屋蓋明顯下?lián)希聯(lián)献畲筇幬挥冖葺S主鋼梁。豎向撓度是由主鋼梁拼接節(jié)點下部螺栓拉斷破壞后引起主鋼梁剛體轉(zhuǎn)動造成的。

2)主鋼梁拼接節(jié)點檢測結(jié)果表明，部分主鋼梁拼接節(jié)點發(fā)生開裂，螺栓斷裂、脫落，其中⑤軸節(jié)點破壞最嚴重，節(jié)點上下錯位最大距離為130mm。

3)主、次梁連接節(jié)點檢測結(jié)果表明，除⑤軸主鋼梁破壞拼接節(jié)點東側(cè)南、北跨主鋼梁與次梁節(jié)點發(fā)生破壞外，大部分主、次梁連接節(jié)點未出現(xiàn)明顯破壞。

4)牛腿和滑動支座檢測結(jié)果表明，鋼牛腿、柱頂預埋板未發(fā)生明顯損傷。②～⑤軸滑移支座明顯傾斜，且傾斜方向基本向主鋼梁跨外方向，其中⑤軸支座破壞損傷最嚴重。①，⑥軸滑移支座未見明顯傾斜，但支座四角立桿均出現(xiàn)明顯變形。

5)屋蓋荷載檢測結(jié)果表明，測點荷載平均值為3.80kN/m2，較設(shè)計屋蓋做法荷載平均值增加14.5%。

6)材料強度檢測結(jié)果表明，混凝土柱、鋼梁及高強螺栓材料強度均滿足設(shè)計要求。

7)PKPM軟件驗算分析結(jié)果表明，原設(shè)計將混凝土柱-實腹鋼梁體系按門式剛架設(shè)計，導致鋼梁拼接節(jié)點設(shè)計錯誤，這是導致本次事故的直接原因。

3 修復與改造方案

結(jié)合檢測鑒定分析結(jié)果，考慮現(xiàn)場施工條件，為最大限度節(jié)省工期和造價，制定以下加固措施。

1)鑒于主鋼梁除拼接端板連接節(jié)點螺栓破壞外，未發(fā)生明顯變形，材料強度滿足設(shè)計要求，更換主鋼梁難度較大且沒必要，因此對坍塌的屋蓋主鋼梁進行加固，繼續(xù)使用。

2)鑒于原混凝土現(xiàn)澆屋蓋板做法超載，將原屋蓋板拆除，改為雙層金屬復合板屋蓋，并通過立柱進行找坡。

3)鑒于次梁基本完好，將原次梁改造為輕型屋蓋支撐，并增加水平、豎向支撐系統(tǒng)。

4)重新設(shè)計所有主鋼梁拼接節(jié)點。

5)更換所有主鋼梁端部滑移支座。

6)對原混凝土柱上牛腿進行加固補強。

7)對原主、次梁焊縫進行補強，并更換所有連接高強螺栓。

4 主鋼梁修復

4.1 提升方案

由于宴會廳位于框架結(jié)構(gòu)頂部，無法利用起重機械完成主鋼梁的提升修復，現(xiàn)場采用8個可拆卸鋼支架進行提升，每榀主鋼梁搭設(shè)4個鋼支架(見圖2)。第1次提升①，②軸主鋼梁，第2次提升③，④軸主鋼梁，第3次提升⑤，⑥軸主鋼梁。待前2榀鋼梁加固施工完畢后，再拆除支架并移至另外2榀鋼梁拆除位置處重新安裝，重復施工。每榀主鋼梁通過安裝在鋼支架上的6根5t倒鏈(梁端各1根，拼接節(jié)點兩側(cè)各1根)、6個5t千斤頂(梁端各1個，拼接節(jié)點兩側(cè)各1個)完成提升。

圖2 鋼支架立面布置示意

4.2 支架設(shè)計

根據(jù)提升方案，需設(shè)計8個鋼支架。考慮到支架承載力及穩(wěn)定性要求，支架平面尺寸取1 200mm×1 200mm，共分8層。為避免框架結(jié)構(gòu)樓板直接承受支架荷載，支架底座采用井字梁進行布置，以便將支架荷載直接傳至下部框架梁上。第6層為千斤頂安裝層，位于屋架鋼梁下方，具體位置需根據(jù)下?lián)箱摿含F(xiàn)場標高進行調(diào)整。第8層為鋼支架頂層，用于懸掛倒鏈，支架平面布置如圖3所示。

圖3 鋼支架平面布置

支架底座、第6，8層水平桿件均采用型鋼HW250×250×9×14，支架立桿采用φ159×5圓管，其余水平桿件、斜撐均采用∟80×80×5。為便于支架拆卸和移動，立桿分為3段下料，采用法蘭對接。水平桿件及斜撐與立桿之間通過節(jié)點板進行螺栓連接。設(shè)計支架承受豎向荷載為100kN，不考慮風荷載和地震作用，經(jīng)PKPM軟件建模分析，支架桿件截面尺寸滿足設(shè)計荷載要求。

由于宴會廳位于框架結(jié)構(gòu)頂部，鋼支架僅可搭設(shè)在原框架結(jié)構(gòu)頂層樓面，故需對頂層樓面承載力進行驗算，確保下部框架結(jié)構(gòu)安全。分別對①，②軸主鋼梁提升，③，④軸主鋼梁提升，⑤，⑥軸主鋼梁提升工況進行校核，結(jié)果表明，混凝土框架梁、板承載力和變形均滿足GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[8]。現(xiàn)場施工過程中未發(fā)現(xiàn)下部框架梁、板混凝土開裂等現(xiàn)象。

5 屋蓋結(jié)構(gòu)改造設(shè)計

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于原屋蓋做法存在超載現(xiàn)象，且原屋蓋坡度約為3.2%，不滿足要求。因此在主鋼梁提升完成后，恢復屋蓋原有次梁，將原屋蓋改造為雙層金屬復合板屋蓋，并采用60mm×60mm×4mm鍍鋅方管支柱找坡至5%，支柱通過橫向布置120mm×60mm×4mm鍍鋅矩管梁拉結(jié)，梁上縱向布置120mm×50mm×20mm×2mm屋蓋板檁條。改造后的屋蓋結(jié)構(gòu)平面如圖4所示。

圖4 改造后的屋蓋結(jié)構(gòu)平面

將原屋蓋改造為雙層金屬復合板屋蓋后，為增強屋蓋系統(tǒng)穩(wěn)定性，按照GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[9]有關(guān)要求，在屋蓋端部①，②軸及⑤，⑥軸開間主鋼梁上翼緣布置水平支撐，并在①，②軸及⑤，⑥軸開間主鋼梁下翼緣布置水平支撐；縱向設(shè)置水平系桿，并要求屋蓋端部、屋脊處系桿通長布置；為增強上、下支撐間的共同工作性能，在①，②軸及⑤，⑥軸開間屋脊處主鋼梁上、下翼緣間布置豎向支撐，各類支撐布置如圖5所示。

圖5 各類支撐布置示意

5.2 結(jié)構(gòu)驗算

鑒于原框架結(jié)構(gòu)設(shè)計時已考慮頂部宴會廳結(jié)構(gòu)，進行整體計算分析，并預留鋼筋混凝土柱，故本次計算僅分析宴會廳結(jié)構(gòu)。依據(jù)改造后的屋蓋結(jié)構(gòu)布置，采用PKPM-V5.1.1版軟件建立1榀屋架結(jié)構(gòu)平面模型進行計算。計算模型中，混凝土柱高取7.8m，柱腳按剛接處理；主鋼梁跨度取24.3m，主鋼梁一端與柱采用固定鉸接，另一端僅約束豎向位移，用于模擬水平滑動鉸支座。屋蓋恒荷載取0.30kN/m2，屋蓋活荷載取0.30kN/m2，雪荷載取0.30kN/m2，基本風壓取0.35kN/m2，另外考慮1.50kN/m2的設(shè)備吊掛荷載和20kN的吊燈荷載(每榀主鋼梁跨中布置1盞吊燈)。抗震設(shè)防烈度取8度，加速度取0.2g。

改造前，現(xiàn)場屋蓋恒荷載作用下主鋼梁內(nèi)力、變形和改造后主鋼梁設(shè)計內(nèi)力、變形對比結(jié)果如表1所示。由表1可知，主鋼梁變形明顯減小，改造后屋蓋結(jié)構(gòu)主鋼梁最大應(yīng)力比為0.58，跨中最大撓度為40.2mm，僅為計算跨度的1/617。

表1 改造前、后主鋼梁內(nèi)力與變形

5.3 主鋼梁拼接節(jié)點設(shè)計

原主鋼梁拼接節(jié)點設(shè)計如圖6a，6b所示，其中端板厚度為35mm，加勁肋厚度為16mm，加勁肋外伸寬度為150mm，該形式適用于連接門式剛架結(jié)構(gòu)中壓彎構(gòu)件的剛架梁，本工程主鋼梁布置及做法顯然不屬于門式剛架結(jié)構(gòu)。根據(jù)計算分析結(jié)果，重新設(shè)計主鋼梁拼接節(jié)點，如圖6c～6e所示。為盡可能利用原端板連接構(gòu)造，在端板連接處的腹板上增設(shè)加勁肋，以增大腹板剛度；切除端板連接節(jié)點伸出上、下翼緣端板，增設(shè)上、下蓋板。為減小蓋板尺寸，蓋板與上、下翼緣采用高強螺栓和焊接混合連接。其中上、下端板厚45mm，長790mm，寬450mm。加勁肋厚16mm，外伸寬度為165mm。

圖6 主鋼梁拼接節(jié)點

改造后的拼接方式較原端板連接方式的優(yōu)點是不會發(fā)生本次坍塌事故中高強螺栓表現(xiàn)出的“解扣子”現(xiàn)象。GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》[10]未規(guī)定該節(jié)點設(shè)計方法，參考文獻[11]中描述了關(guān)于翼緣和腹板采用高強螺栓摩擦型連接的簡化設(shè)計方法，假設(shè)梁拼接處的彎矩完全由翼緣承擔，剪力完全由腹板承擔，由此完成拼接節(jié)點設(shè)計。

6 支座設(shè)計

改造設(shè)計后主鋼梁與柱一端選用普通固定球型鉸支座，另一端選用單向滑動球型鉸支座。根據(jù)計算分析結(jié)果，支座最大豎向反力為482kN，支座最大水平反力為71kN，最大水平位移為11.6mm。因此，支座選用參數(shù)為豎向壓力1 000kN，水平力300kN，轉(zhuǎn)角0.02rad，單向位移量為30mm，按照GB/T 32836—2016《建筑鋼結(jié)構(gòu)球型支座》[12]要求選取成品支座。

7 牛腿加固

由現(xiàn)場檢測鑒定結(jié)果可知，牛腿未見明顯損傷，但檢測過程中發(fā)現(xiàn)連接牛腿柱上的外包鋼板與混凝土柱存在明顯縫隙。為確保加固質(zhì)量和工程安全，對牛腿進行加固補強，做法如圖7所示。

圖7 牛腿加固

8 屋蓋結(jié)構(gòu)改造效果

按照上述修復方案對發(fā)生坍塌的屋蓋進行修復，并采用相應(yīng)方案進行加固施工，加固后的屋蓋結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 屋蓋結(jié)構(gòu)改造效果

9 結(jié)語

1)結(jié)合某6層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)頂部宴會廳鋼-混凝土組合屋蓋坍塌實例，基于現(xiàn)場檢測鑒定和驗算分析結(jié)果，制定修復和改造設(shè)計方案。

2)由于宴會廳位于框架結(jié)構(gòu)頂部，現(xiàn)場采用8個可拆卸鋼支架進行主鋼梁提升復位，通過支架設(shè)計和框架結(jié)構(gòu)樓板驗算，確保提升安全。

3)將原屋蓋改造為雙層金屬復合板屋蓋，為保證屋蓋系統(tǒng)穩(wěn)定性，在不同部位增設(shè)上、下水平支撐，水平系桿和豎向支撐。

4)對改造后的屋蓋結(jié)構(gòu)進行驗算，結(jié)果表明，主鋼梁變形明顯減小，最大應(yīng)力比為0.58，跨中最大撓度為40.2mm，僅為計算跨度的1/617。

5)根據(jù)結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果，重新設(shè)計主鋼梁拼接節(jié)點，并給出節(jié)點設(shè)計簡化方法。

6)根據(jù)結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果確定本工程支座選用參數(shù)，并對牛腿進行加固補強。

7)本工程屋蓋結(jié)構(gòu)經(jīng)加固處理后，至目前承載力和變形均滿足設(shè)計和規(guī)范要求，可知加固方案合理，效果良好。