陳秀民（天津建華工程咨詢管理公司，天津 300074）

1 項(xiàng)目概況

某五層鋼框架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房（以下簡稱“本項(xiàng)目”），層高分別為 7 950 mm、3 600 mm、3 600 mm、3 600 mm 和 4 350 mm，地基基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁，承臺連梁基礎(chǔ)，鋼框架柱柱腳采用地腳螺栓與承臺連接，首層地面下鋼框架柱采用與承臺同尺寸鋼筋混凝土澆筑。鋼框架柱截面采用箱型，截面尺寸分別為箱 600 mm×600 mm×20 mm×20 mm 和箱 600 mm× 500 mm×20 mm×20 mm。柱網(wǎng)示意圖，如圖1 所示。

圖1 柱網(wǎng)示意圖

為吊裝方便，柱分為 3 節(jié)，在工廠加工，現(xiàn)場拼接。首節(jié)和第 2 節(jié)拼接接頭標(biāo)高為 7.95 m＋1.30 m，第 2 節(jié)和第 3 節(jié)拼接接頭標(biāo)高為 7.95 m＋10.80 m＋1.30 m。拼接采用全熔透焊縫連接，焊縫質(zhì)量等級為二級（見圖2）。

圖2 鋼框架柱拼接圖

2 出現(xiàn)的問題和處理路徑

2.1 出現(xiàn)的問題

在首節(jié)和第 2 節(jié)柱拼接完畢、1～4 層鋼梁安裝和鋼筋桁架樓承板施工完成后，發(fā)現(xiàn)多個(gè)鋼框架柱拼接處錯(cuò)口和垂直度偏差超過 GB 50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》要求的允許偏差值，部分二級焊縫不滿足規(guī)范要求，存在結(jié)構(gòu)安全性隱患。

2.2 確定處理程序

作為技術(shù)咨詢方，監(jiān)理方得到此信息并查勘現(xiàn)場后，提出如下處理程序，并獲得建設(shè)單位的同意和支持。

（1）委托有資質(zhì)的第三方對鋼框架柱拼接處的垂直度和接口平面偏差進(jìn)行檢測，同時(shí)現(xiàn)場分析查找原因。

（2）請?jiān)O(shè)計(jì)單位依據(jù)檢測結(jié)果核算、評估鋼框架柱施工中產(chǎn)生的垂直度偏差對結(jié)構(gòu)安全性的影響。

（3）提出合理的錯(cuò)口加固方案及焊縫不滿足要求的處理方案。

2.3 檢測結(jié)果

經(jīng)委托有資質(zhì)的第三方進(jìn)行檢測，得到如下檢測結(jié)果。

（1）垂直度偏差。鋼框架柱單方向垂直度偏差超過規(guī)范允許偏差值的有：1-C、1-D、1-E、2-A、2-C、2-D、3-A、4-C、4-D、5-C、5-D、6-C、6-D和7-C；兩個(gè)方向垂直度偏差超過規(guī)范允許偏差值的有：1-A、2-B、2-E、3-D、4-A、4-E、5-A、5-B、6-A、6-B、6-E、7-A、7-B、7-D 和 7-E。垂直度偏差超過規(guī)范允許偏差值的占到全部框架柱的 83%，垂直度偏差最大值達(dá)到 3‰。

（2）錯(cuò)口偏差。柱子上下節(jié)拼接處錯(cuò)口尺寸超過規(guī)范允許偏差限值的有：雙向錯(cuò)口的 1-A、2-B、2-C、3-B、4-C柱，偏差值在 4 mm～5 mm 之間，以及 6-A 柱，雙向偏差8 mm；單向錯(cuò)口的 1-C、1-D、4-E、5-B、5-C、6-B、6-D、7-B、7-C、7-D、7-E 柱，偏差值在 4 mm～8 mm 之間。錯(cuò)口尺寸超過規(guī)范允許偏差限值的占到全部框架柱的 49%。

（3）焊縫質(zhì)量。對 24 個(gè)鋼框架柱對接焊縫進(jìn)行無損檢測，檢測結(jié)果顯示，有 15 個(gè)構(gòu)件存在焊縫不滿足質(zhì)量要求的問題。

3 垂直度偏差影響分析

3.1 鋼框架柱偏差定位

根據(jù)檢測報(bào)告中測得的鋼框架柱的各觀測段上下兩端的水平偏移，定位出各柱的各觀測段上下兩端位置處的X、Y 向位置。在層高位置，根據(jù)與該層臨近的兩個(gè)量測點(diǎn)的位置，應(yīng)用線性插值算法得到層高節(jié)點(diǎn)位置處柱的 X、Y坐標(biāo)。

3.2 建模分析

使用 Midas Gen 軟件分別對無垂直度偏差的原設(shè)計(jì)和考慮垂直度偏差的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。構(gòu)件布置和尺寸、荷載和地震作用情況均按原設(shè)計(jì)模型資料執(zhí)行。對于考慮垂直度偏差的結(jié)構(gòu)，在層高位置輸入實(shí)際的偏移數(shù)據(jù)，形成柱身傾斜偏移后的結(jié)構(gòu)。

3.3 計(jì)算結(jié)果

（1）周期和振型。對于無施工偏差的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和考慮垂直度偏差的結(jié)構(gòu)，第一階振型、第二階振型都分別為 Y方向和 X 方向的平動(dòng)，第三階振型為扭轉(zhuǎn)，且二者的周期也一致。

（2）層間位移角。兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型在多遇地震作用下的層間位移角均滿足 GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》的規(guī)定?？紤]垂直度偏差結(jié)構(gòu)的大多數(shù)樓層的層間位移角相較于原結(jié)構(gòu)有所增大，但增大的幅度很微小，表明柱身傾斜沒有對結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移產(chǎn)生明顯影響。

（3）構(gòu)件安全性。兩個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼梁應(yīng)力比最大值和分布基本一致，梁最大應(yīng)力比約為 0.8。本工程施工誤差導(dǎo)致的傾斜未在梁上產(chǎn)生明顯軸力，鋼梁的受力狀態(tài)相較于原設(shè)計(jì)沒有變化，鋼梁構(gòu)件的安全性可以得到保證。兩個(gè)結(jié)構(gòu)的柱應(yīng)力比分別為 0.41 和 0.46，說明尚有較大的強(qiáng)度儲備，柱的安全性可以得到保證。

（4）節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)結(jié)構(gòu)各層的梁端內(nèi)力變化不大，增大幅度最大不超過 5%，且未超過梁端的抗彎承載力，節(jié)點(diǎn)安全性可以得到保證。

綜上所述，鋼框架柱的傾斜度偏差未對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)在各工況下的承載力仍滿足 GB 50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和 GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（2016年版）》的要求，加固方案驗(yàn)算可不考慮鋼框架柱垂直度偏差的影響。

4 加固整改方案

4.1 工程偏差情況

根據(jù) GB 50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，當(dāng)柱上下節(jié)拼接處施工誤差比較明顯，錯(cuò)口尺寸超過規(guī)范規(guī)定的限值（3 mm）時(shí)，需要驗(yàn)算其對結(jié)構(gòu)的影響，再根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果采取適當(dāng)?shù)拇胧詽M足工程質(zhì)量要求。本項(xiàng)目鋼框架柱在樓層以上 1.3 m 處由兩節(jié)對接，由于工程中柱子出現(xiàn)對接偏差，改變了計(jì)算假定的直接傳力路徑，因此有必要分析偏心對柱的強(qiáng)度和穩(wěn)定承載力的影響。

4.2 錯(cuò)臺加固方案選擇

采用鋼板補(bǔ)強(qiáng)的方法進(jìn)行加固，即＋1.3 m 錯(cuò)口處用補(bǔ)強(qiáng)鋼板進(jìn)行過渡，使其形成較好的受力傳遞。

（1）在對接處各面采用鋼板（Q345B）圍焊加固。需要對錯(cuò)口超標(biāo)的各柱的各面逐個(gè)測量，對號加工連接鋼板（不等厚），以保證加固鋼板在對接焊縫上下均與錯(cuò)口柱面緊密結(jié)合，且對局部柱截面增大的影響最小，但加固鋼板的加工難度過大，精度難于保證。

（2）采用兩塊厚度不同的鋼板（薄板厚度為錯(cuò)口值，厚板厚度為錯(cuò)口值的 2 倍）對接焊接成一塊板，將外表面補(bǔ)平（見圖3），但加固鋼板的加工難度過大和加工精度難于保證的問題仍然存在。

圖3 不等厚鋼板補(bǔ)強(qiáng)示意圖

（3）在 ＋1.3 m 錯(cuò)位處采用豎向密肋板補(bǔ)強(qiáng)和焊縫過渡的方法對錯(cuò)口處進(jìn)行加固（見圖4），使上下兩節(jié)間形成較好的受力傳遞?？紤]到焊接施工便利及受力傳遞過渡，選擇 400 mm×50 mm×20 mm 的肋板（Q345B），根據(jù)錯(cuò)口尺寸進(jìn)行切割裁剪至可與錯(cuò)口處柱面緊密貼合進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，角焊縫焊接。此方法將導(dǎo)致柱截面局部增大至100 mm，影響使用凈面積，但業(yè)主權(quán)衡后予以接受。

圖4 密肋板加固示意圖

4.3 錯(cuò)臺加固方案驗(yàn)算

二層柱共有兩種截面：① 軸和 ⑦ 軸鋼框架柱規(guī)格為箱600 mm×600 mm×20 mm×20 mm，② 軸～⑥ 軸鋼框架柱規(guī)格為箱 600 mm×500 mm×20 mm×20 mm。運(yùn)用 Midas Gen 軟件對五層框架考慮錯(cuò)口偏差后模型進(jìn)行計(jì)算分析并求得二層柱的軸力和柱端彎矩。選擇內(nèi)力和錯(cuò)口偏差較大的柱 1-C，運(yùn)用有限元軟件 ABAQUS 按照軸壓力和錯(cuò)口方向彎矩最大的兩個(gè)工況進(jìn)行驗(yàn)算。該柱截面為箱600 mm×600 mm×20 mm×20 mm，材質(zhì)為 Q345，對接偏心位置距離構(gòu)件底部 1.3 m，構(gòu)件總長 3.6 m，偏心為東偏 8 mm，上端為自由端施加荷載，下端固接。驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 對最大軸壓力和錯(cuò)口方向最大彎矩的驗(yàn)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，上下節(jié)錯(cuò)口使柱的局部應(yīng)力增大，采用增加截面面積的措施可以有效地降低截面應(yīng)力。彎矩對截面應(yīng)力增大的影響極小，應(yīng)力增大主要是由承載截面面積減小引起的。采用鋼密肋板補(bǔ)強(qiáng)法能夠?qū)⒃撎幗孛鎽?yīng)力值降低并且具有較大的安全余度。

5 整改要求

5.1 對鋼框架柱接焊縫缺陷的整改要求

對于不符合要求的焊縫進(jìn)行割除，清理后重新采用手工電弧焊焊接。焊接焊縫割除后，對不能采用機(jī)加工方式制作的坡口，應(yīng)按照有關(guān)技術(shù)要求，采用人工打磨制作坡口。經(jīng)過打磨制作的坡口要確保原焊縫熔敷金屬被全部清除。如果單面焊縫需處理的長度較大，必須考慮防止鋼框架柱在暫時(shí)不能“合格承載”期間變形的措施。

5.2 對鋼框架柱第 1 節(jié)、第 2 節(jié)拼接錯(cuò)口處密肋板的補(bǔ)強(qiáng)要求

（1）拼接錯(cuò)口處密肋板補(bǔ)強(qiáng)，應(yīng)在原焊縫缺陷整改完畢并經(jīng)第三方檢測合格后方可進(jìn)行。

（2） 按現(xiàn)場鋼框架柱錯(cuò)口方向逐柱逐面測量、編號，由加工廠加工對應(yīng)的成品補(bǔ)強(qiáng)密肋鋼板（Q345B），進(jìn)場后由專人逐一核對，保證貼合面緊貼鋼框架柱。盡可能避免因尺寸不符而導(dǎo)致現(xiàn)場二次加工。

（3）用砂輪磨光機(jī)將密肋板所處位置的防腐面層打磨干凈，并立即對鋼框架柱和肋板預(yù)熱至 100℃～200℃，對角焊縫采用 E50 型焊條、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊施焊，其左右兩側(cè)焊縫采用雙人對接焊接，每焊一道焊縫及時(shí)清理焊渣和飛濺等殘留物，并且注意每道層間焊縫的溫度不得高于預(yù)熱溫度。由于補(bǔ)強(qiáng)鋼板施焊后焊縫較多，易積聚應(yīng)力，在焊接時(shí)須用圓頭手錘在鋼框架柱側(cè)邊、肋板中間進(jìn)行敲動(dòng)，以使應(yīng)力緩慢釋放。

5.3 對焊接質(zhì)量的保證要求

（1）返工及補(bǔ)強(qiáng)焊接必須遵照確定的焊接工藝流程和工藝方法，施焊人員必須經(jīng)過相應(yīng)的培訓(xùn)且考核合格，不合格焊縫返工后必須重新檢測，確認(rèn)其操作滿足規(guī)范要求。

（2）焊接作業(yè)區(qū)域設(shè)置防雨、防風(fēng)和防火花墜落等措施。

（3）焊接作業(yè)前認(rèn)真清除焊口內(nèi)部的表面油污、銹蝕和氧化皮等雜物。

（4）加強(qiáng)對焊接過程的中間檢查，由項(xiàng)目質(zhì)量員和監(jiān)理進(jìn)行旁站監(jiān)督，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并加以處理。

（5）施工完畢后及時(shí)報(bào)建設(shè)單位和監(jiān)理單位驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后及時(shí)進(jìn)行防腐處理，避免出現(xiàn)銹蝕情況。

6 整改效果及建議

本項(xiàng)目施工單位按照上述分析論證結(jié)果編制了完整的鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量缺陷整改專項(xiàng)施工方案，經(jīng)建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)、施工、技術(shù)咨詢、施工圖審查單位和業(yè)內(nèi)專家進(jìn)行了論證完善，報(bào)經(jīng)監(jiān)理審批后在監(jiān)理對各環(huán)節(jié)全程監(jiān)督下實(shí)施，整改后驗(yàn)收合格。

反思本次鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量問題的處理過程，以下幾點(diǎn)可供有關(guān)參建方在施工質(zhì)量控制過程中借鑒和落實(shí)。

（1）出現(xiàn)施工質(zhì)量問題后，有關(guān)單位應(yīng)及時(shí)確定正確的處理路徑，避免扯皮，從而有效加強(qiáng)系列相關(guān)工作的緊密銜接，提高質(zhì)量問題的處理效率，盡可能地減少對工期的不利影響。

（2）施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行經(jīng)批準(zhǔn)的施工組織設(shè)計(jì)或?qū)ｍ?xiàng)施工方案，落實(shí)過程質(zhì)量控制措施。這是保證施工質(zhì)量、避免質(zhì)量事故的根本。

（3）監(jiān)理只有切實(shí)履行監(jiān)理職責(zé)，加強(qiáng)過程巡視和質(zhì)量控制，嚴(yán)格履行驗(yàn)收程序，才能避免質(zhì)量問題被延后發(fā)現(xiàn)，給項(xiàng)目造成更大的損失。

（4）本項(xiàng)目選定的鋼框架柱拼接錯(cuò)口問題的處理方案是較為簡便、易于施工操作和保證補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量的，但同時(shí)也是對使用凈空間影響最大的。建設(shè)單位的適當(dāng)讓步給問題的解決提供了極大的便利。