宓志剛 吳超杰

中建三局集團有限公司 浙江 杭州 310016

目前，我國建筑行業(yè)已經從以往的大規(guī)模新建時期逐步過渡到新建與既有建筑改造與維護更新并重的時期，特別在一些現(xiàn)代化城市，大量既有建筑物面臨著加固改造的問題。這一時期里，城市更新這一概念也正日益受到國家重視與推廣，在城市更新這一環(huán)節(jié)中，結構加固對于延伸建筑的安全使用壽命及功能，顯得至關重要。其中，外包鋼加固應用于梁、柱等規(guī)則截面的加固設計技術較為成熟且施工實踐經驗較為豐富，但對于一些復雜節(jié)點的設計及施工實踐較少[1-3]。本文結合某大型商業(yè)綜合體鋼結構連廊下掛節(jié)點外包鋼加固案例，就復雜下掛節(jié)點設計及施工技術進行論述和總結，為其他類似加固工程項目提供參考。

1 工程概況

1.1 工程設計概況

本工程地上結構共6層，建筑高度約30.2 m，地下共2層，建筑深度約8.9 m，該綜合體總建筑面積約80 464 m2，結構受力體系為鋼筋混凝土框架結構，其中2～5層在中庭位置設置鋼結構連廊作為兩側商業(yè)街的連通道。鋼結構連廊最大跨度為16.2 m，鋼連廊主體結構采用主次鋼梁＋組合樓板的形式，主鋼梁沿跨度方向通長布置，通過兩端鋼牛腿支座將上部荷載最終傳遞給混凝土結構。2層連廊平面見圖1。

圖1 鋼連廊位置示意

1.2 工程現(xiàn)場概況

1.2.1 現(xiàn)場施工概況

鋼結構連廊樓面組合樓板均已澆筑完成，局部牛腿位置吊頂龍骨安裝完成，部分區(qū)域防火卷簾安裝完成，牛腿位置被頂部卷簾箱遮擋。整體存在一定的拆改量。

1.2.2 牛腿開裂概況

本工程2～5層連廊區(qū)域均出現(xiàn)不同程度的裂縫，主要集中在大中庭連廊區(qū)域（該位置支座集中荷載普遍較大，根據設計計算，最大豎向荷載為997 kN）。

根據外觀觀察，此次下掛節(jié)點裂縫大致可分為豎向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫、角部爆裂、埋板與混凝土脫開5種情況，見圖2。

圖2 裂縫分類

1.3 工程加固設計方案

1.3.1 加固方案比較

目前，國內針對混凝土結構的改造加固方法主要包括外包型鋼、外粘鋼板、增加截面、置換混凝土、粘貼纖維復合材料、預應力碳纖維復合板加固、預張緊鋼絲繩網片-聚合物砂漿面層加固和繞絲加固等方法。通過對比分析各類加固方法的優(yōu)缺點，本工程最終采用外包鋼加固法進行加固施工。

1.3.2 加固設計條件

原下掛節(jié)點埋板形式分為單面埋板及雙面埋板，埋板厚度25 mm，共計20根φ20 mm錨筋。原設計鋼連廊下掛節(jié)點截面尺寸為400 mm×750 mm，沿寬度方向配置3φ22 mm的吊筋，沿長邊方向配置φ14 mm@100 mm的U形筋，沿高度方向配置6φ18 mm的點筋，混凝土強度等級同梁板強度等級，均為C30。根據原設計計算，各兩廊牛腿承受豎向荷載設計值在40～812 kN之間。下掛節(jié)點如圖3所示。

圖3 下掛示意

1.3.3 外包鋼加固設計計算

經現(xiàn)場勘察及第三方檢測機構檢測，部分下掛節(jié)點裂縫情況較為嚴重，局部節(jié)點不考慮原構件受力，采用外包鋼加固形式，通過與原鋼牛腿進行焊接，將鋼牛腿荷載全部傳遞至邊梁完好混凝土區(qū)域。根據原結構牛腿受力情況、支座情況、節(jié)點周邊結構情況，共設計11種加固類型。加固類型分類見表1。

表1 加固類型分類

典型加固模型如圖4、圖5所示。

圖4 滑動支座區(qū)域典型加固模型

圖5 固定鉸支座區(qū)域典型加固模型

本文選取2種節(jié)點進行說明。

2類加固節(jié)點設計說明：當梁下掛節(jié)點后有懸挑梁，且為固定鉸支座邊時，先將整個梁包鋼，包鋼梁兩邊各采用3M24的對穿螺桿（采用碳鋼制成，性能等級8.8級）、4M20的錨栓（采用特殊倒錐形膠粘型錨栓，性能等級8.8級）進行加壓固定，對于有樓板使部分梁不能直接包鋼的部位，有懸挑梁一端采用鋼板對穿樓板，另一邊采用φ16 mm鋼筋對穿樓板的方式，將鋼板與鋼板、鋼板與鋼筋焊接，并在雙面?zhèn)认蚣傲旱撞考觿爬甙?。具體節(jié)點如圖6所示。

圖6 包鋼三維示意（梁下掛節(jié)點后有懸挑梁，且為固定鉸支座邊時）

3類加固節(jié)點設計說明：當梁下掛節(jié)點后緊貼懸挑梁，且為滑動支座邊時，先將整個梁粘鋼包住，梁兩邊各采用3M24的對穿螺桿（采用碳鋼制成，性能等級8.8級）、4M20的錨栓（采用特殊倒錐形膠粘型錨栓，性能等級8.8級）進行加壓固定，對于有樓板使部分梁不能直接包鋼的部位，有懸挑梁一端采用鋼板對穿樓板，另一邊鋼板對穿原懸挑樓板的方式，將鋼板與鋼板進行焊接。在原鋼梁上部豎向加焊兩塊500 mm高豎板，橫向加焊500 mm長的蓋板，且在雙面?zhèn)认蚣傲旱撞考觿爬甙?。具體節(jié)點如圖7所示。

圖7 包鋼三維示意（梁下掛節(jié)點后緊貼懸挑梁，且為滑動支座邊時）

由于本工程節(jié)點較多，其余節(jié)點不再贅述，需注意的是，包鋼加固節(jié)點除了承受剪力外同時還承受豎向荷載產生的彎矩，以及鋼梁與支座非正交布置產生的扭矩，應考慮彎矩、扭矩和剪力同時作用并計算其應力。經驗算，補強后節(jié)點各區(qū)域強度均達到承載力要求。

2 工程重難點

2.1 施工工期緊張，資源組織壓力大

本工程2層涉及加固節(jié)點19個，3層涉及加固節(jié)點18個，4層涉及加固節(jié)點15個，5層涉及加固節(jié)點49個，共計101個節(jié)點，整體工期30 d，工期緊張，資源設備投入大，施工組織要求高。

2.2 鋼連廊面積大，卸荷難度大

鋼連廊單層面積約400 m2，共設置23處臨時支撐，支撐需從地下2層到4層連續(xù)設置。如何保證豎向鋼管支撐豎向同軸不偏心，以及如何同時控制多個千斤頂同時卸載，不產生結構二次傷害，是本工程重難點。

2.3 加固節(jié)點種類多，節(jié)點深化要求高

本工程設計根據支座錨固形式、受力情況、界面位置等共分為11個加固節(jié)點類型，經現(xiàn)場實際勘察，每個節(jié)點由于主次梁交叉關系、弧形梁等影響均存在不同程度的差異，需根據現(xiàn)場放樣情況進行單獨深化，且放樣精度要求高。

3 施工工藝要點

3.1 臨時支撐安裝

臨時支撐安裝流程：安裝下端鋼板→安裝上端鋼板→千斤頂就位→鋼管安裝、垂直度檢查→鋼管間2道橫擋安裝→千斤頂同步加載頂緊。

按照設計圖紙要求，對需要進行支撐的部位進行定位，然后作臨時支撐加固施工，臨時支撐加固地下2 層～地上3 層采用φ2 9 9 m m×1 0 m m 或H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，地上4層采用φ299 mm×10 mm鋼支撐；鋼支撐下方設置100 t/200 t液壓千斤頂，鋼支撐與鋼支撐間采用豎向2道20a#槽鋼進行連接，以確保穩(wěn)定性。

鋼支撐的安裝順序從地下2層至地上4層逐層安裝，待全部安裝完畢后，液壓千斤頂分批分次同時預加載，第1批預加載為地下2層及地下1層，第2批預加載為地上1層～4層，第1批第1次預加載完畢后開始第2批第1次預加載，以此類推。每次預加載量不超過100 kN，每個千斤頂預加載總量不超過恒載工況的90%。圖8為鋼支撐立面。

圖8 鋼支撐布置立面

分批分次同時預加載通過PLC同步升降控制系統(tǒng)實現(xiàn)，通過預先在計算機內設置鋼連廊底部各支撐的加載力指令，系統(tǒng)能夠自動通過力傳感器調整每個千斤頂?shù)膲毫?，在鋼連廊整體卸載過程中保持24個臨時支撐點位頂升力的平衡，保證各頂升點所需的頂力值與實際提供值相符。同時，通過位移指令來控制鋼連廊卸載過程中千斤頂?shù)男谐?，保證每層24個臨時支撐千斤頂頂升的同步性，是一種力和位移綜合控制的頂升方法。

3.2 外包鋼施工

外包鋼施工流程：表面處理→鋼板放樣樣板制作→鋼板加工及現(xiàn)場焊接→高強螺栓施工→檢驗→高壓注膠→表面防護、刷防銹漆→驗收。

3.2.1 表面處理

首先對構件缺陷部位進行針對性的修復處理。清除構件表面的破損混凝土，尤其是裂縫寬度＞3 mm的位置，并打磨至堅實基層，轉角部位應倒角（R＞20 mm）；對不平整部位進行打磨及修復處理。清除表面粉塵并清洗干凈，設置凹槽。

鋼板安裝前經打磨除銹、表面清洗處理，使得鋼板與混凝土基層之間保持合理間隙，并且安裝時焊接質量符合設計及規(guī)范要求。

3.2.2 鋼板放樣樣板制作

本工程加固節(jié)點各異，每個加固節(jié)點都需要根據現(xiàn)場實際構件尺寸進行放樣樣板制作：樣板采用厚度0.3 mm的薄鐵皮制作，制作過程中鋼構件的相關加工余量需要充分考慮。每一個加固節(jié)點樣板上的加工線和符號需要標記清楚，并注明編號、規(guī)格及數(shù)量，以便工人施工。

3.2.3 鋼板加工及現(xiàn)場焊接

為了確保構件接觸牢固、均勻和坡口焊的良好焊接品質，減少切削后鋼筋硬化的不良反應，并防止形成淬硬層，對切削后鋼材的邊緣也應該進行必要處理。鋼板的所有邊緣加工都應當滿足GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收規(guī)范》的有關規(guī)定。

加固鋼構件安裝前，應按提供的明細表核對材質、規(guī)格及外觀質量，查驗鋼構件的技術文件。所有加固鋼構件須經質量、強度等檢查，全部符合設計要求，并經驗收合格和簽字手續(xù)后，才可安裝。

鋼結構吊裝現(xiàn)場鋼板運輸可采用貨梯運至施工場地（2～5層樓面），再由現(xiàn)場人工搬運至牛腿節(jié)點處或運用1～2 t葫蘆進行吊裝，隨后進行節(jié)點施工（圖9）。

圖9 包鋼安裝實體

3.2.4 高強螺栓施工

高強螺栓孔開設完成后用鉸刀進行修孔及清孔處理，確保螺栓能輕松穿入孔內。安裝時確保穿入方向一致，同時構件摩擦面應保持潔凈。必須在24 h內完成高強螺栓的初擰和終擰。初擰緊固至螺栓準強拉力60%～80%，第2次為終擰。每組高強度螺栓的擰緊以構件中心向周邊逐步施擰，螺栓終擰完成后外露絲扣不得少于2個（圖10）。

圖10 螺栓錨桿加固實體

3.2.5 高壓注膠施工

高壓注膠前確保鋼板與混凝土結構之間的間隙內干燥無雜質。灌膠嘴布置完成后，采用高強砂漿進行封縫處理，封縫必須全封閉，確保不漏膠；膠的配比、灌的順序以及操作流程按產品說明書及規(guī)范要求嚴格執(zhí)行，膠體灌注和固化期間嚴禁焊接及擾動（圖11）。

圖11 注膠管布置實體

3.2.6 鋼結構防銹防火處理

鋼構件完成后，對構件表面應按設計圖紙要求進行除銹、防護涂裝。防腐層要求：鋼板外表面均按照規(guī)范要求進行除銹處理，然后再根據設計要求分遍噴涂防銹漆。防火涂層要求：采用壓送式涂機分遍噴涂厚型防火涂料。

3.3 臨時支撐拆除

待梁下掛節(jié)點加固完成且達到設計強度后，將臨時支撐從上層至下層依次拆除。加固完成效果圖如圖13所示。

4 結語

目前該項目已經歷2年的運行期，狀況良好。在大型公共建筑下掛牛腿外包鋼加固設計與施工實踐中，針對遇到的難點，可采取如下解決措施：

1）針對加固節(jié)點復雜且多的項目，需要從成本、工期、質量等控制要求出發(fā)，通過分類設計，針對性地制定加固設計方案，從而達成加固設計處理的整體最優(yōu)。

2）采用PLC同步升降控制系統(tǒng)，從位移和力兩方面對臨時支撐進行控制，確保不對結構造成二次傷害。

3）針對各類現(xiàn)場節(jié)點進行放樣樣板制作，充分應考慮相關加工余量，確保節(jié)點一次加工安裝成形。