工程施工過程中屋面行車引起的結(jié)構(gòu)加固問題研究

袁巍巍，李保德

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

復(fù)合材料加固具有施工方便，形狀適應(yīng)性較強(qiáng)，強(qiáng)度較大，防水防腐蝕效果較好的優(yōu)勢(shì)，成為加固新的發(fā)展趨勢(shì)[1]。結(jié)構(gòu)加固是一件綜合性較強(qiáng)的工程，需要考慮多種因素，整體進(jìn)行加固的設(shè)計(jì)與施工[2]。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要考慮安全因素、經(jīng)濟(jì)因素、社會(huì)影響因素以及業(yè)主要求等[3]。

1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目建筑為鋼筋混凝土裙樓結(jié)構(gòu)，部分屋蓋主梁構(gòu)件為鋼梁。在實(shí)際施工過程中出于拆除塔吊的需要，需要在屋面上行駛汽車吊，而原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒有考慮到這種情況，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算進(jìn)而開展加固處理工作，從而滿足塔吊拆除施工的正常需求。針對(duì)汽車吊行駛過程，該文對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元的計(jì)算校核，并采用CFRP加固的方法對(duì)493號(hào)鋼梁進(jìn)行了加固處理。

2 結(jié)構(gòu)建模處理分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型處理

此結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土裙樓結(jié)構(gòu)，在使用盈建科建模之前，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形縫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)整理，并且認(rèn)為在變形縫處，相鄰部位之間彼此脫開獨(dú)立。當(dāng)遇到變形縫的位置，變形縫相對(duì)分析位置以外的部分不進(jìn)行建模。

2.2 荷載的統(tǒng)計(jì)及加載

在汽車吊行駛過程中，由于車輛自重較大，輪胎接觸樓板會(huì)對(duì)樓板產(chǎn)生較大的集中力，樓板配筋較小，無法滿足承載力的要求，故采用鋪墊覆土及路基箱的方式，將汽車吊的荷載傳導(dǎo)至梁上，從而對(duì)樓板起到保護(hù)作用。

在模擬行車過程中，選取六個(gè)位置作為汽車吊停車時(shí)的位置，并進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)力計(jì)算。路基箱自重均布荷載為4.17 kN/m2。認(rèn)為汽車吊荷載為寬度為6 m的均布荷載，其中后軸荷載作用長度為2 m，大小為10.5 kN/m,中軸荷載為12.25 kN/m，前輪荷載作用長度為2 m，大小為7.875 kN/m。

3 結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

經(jīng)驗(yàn)算，汽車吊行走路線中鋼梁區(qū)域需進(jìn)行加固處理，汽車吊起吊支撐部位混凝土梁局部需進(jìn)行加固處理。論文針對(duì)汽車吊行走過程對(duì)鋼梁進(jìn)行分析。

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算的內(nèi)力分布

采用盈建科軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，由內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，出現(xiàn)最大剪力及彎矩的構(gòu)件為493號(hào)鋼梁，最大彎矩為642 kN·m,最大剪力為-305.6 kN，最大撓度為46.49 mm。493號(hào)梁鋼梁截面為700×300×25×250×18×14 mm，接下來從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性三個(gè)角度對(duì)構(gòu)件進(jìn)行可靠性驗(yàn)算。

3.2 鋼梁構(gòu)件的承載力驗(yàn)算

3.2.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

在該結(jié)構(gòu)各鋼梁截面中，由于混凝土板對(duì)H型鋼的上翼緣的約束作用，因此不存在整體失穩(wěn)問題。

在該結(jié)構(gòu)各鋼梁截面中，最大高厚比為46，小于上式中的高厚比要求，因此構(gòu)件腹板滿足局部穩(wěn)定要求。

3.2.2 鋼梁抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

鋼梁截面面積A=2.12×10-2m2,梁跨度為17.26 m，由截面信息，對(duì)X軸求慣性矩，其值為1.67×10-3m4,中和軸以下部分凈截面對(duì)中和軸的凈截面模量為W1x=5.47×10-3m3,中和軸以上部分凈截面對(duì)中和軸的凈截面模量為W2x=4.21×10-3m3，則截面的凈截面模量Wnx=9.68×10-3m3，查閱鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，可知該截面塑形發(fā)展系數(shù)γx為1.05。

則由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可知，鋼梁的抗彎承載力Mu=γx×Wnx×f,代入數(shù)據(jù)可得，該構(gòu)件抗彎承載力為1 727.8 kN·m。由內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，最大彎矩為642 kN·m，故構(gòu)件滿足抗彎承載力的要求。

3.2.3 鋼梁抗剪承載力的驗(yàn)算

對(duì)截面進(jìn)行中和軸計(jì)算可知，a=304.5 mm，即中和軸距離截面下邊緣304.5 mm。則中和軸以下部分對(duì)中和軸的面積矩為S=2.24×10-3m3，則由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可得，構(gòu)件的抗剪承載力VQ=fvItw/s,帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得，VQ=1 774.3 kN，即鋼梁的最大抗剪承載力為1 774.3 kN。由內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，493號(hào)鋼梁最大剪力為-305.6 kN，因此，該構(gòu)件滿足抗剪承載力的要求。

3.2.4 鋼梁撓度驗(yàn)算

該構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中為主梁，因此最大撓度容許限值應(yīng)滿足l/400，該構(gòu)件長度為17.25 m.故最大撓度容許限值為43.13 mm。由盈建科計(jì)算結(jié)果可知，構(gòu)件最大撓度為46.49 mm，超出了容許限值，需做加固處理。

4 鋼梁構(gòu)件的CFRP加固

采用CFRP板材粘貼在梁下翼緣外邊緣，從而增大了截面的慣性矩，起到了加固作用，具體設(shè)計(jì)分析如下：設(shè)粘貼的碳纖維板材厚度為t，寬度與下翼緣寬度等寬。由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范公式，計(jì)算結(jié)果見表1。

由試算結(jié)果可知，當(dāng)粘貼碳纖維板材厚度為20 mm時(shí)，在行車過程中產(chǎn)生的撓度為45.12 mm，不滿足最大撓度容許限值；當(dāng)粘貼碳纖維板材厚度為25 mm時(shí)，撓度結(jié)果為43.19 mm，不滿足規(guī)范要求；

表1 不同碳纖維板粘貼厚度的構(gòu)件撓度計(jì)算結(jié)果

當(dāng)粘貼碳纖維板材厚度為30 mm時(shí)，撓度結(jié)果為41.55 mm，小于最大撓度容許限值，滿足規(guī)范要求。

由于附加了汽車吊行走荷載，對(duì)鋼梁的下翼緣粘貼高強(qiáng)Ⅱ號(hào)CFRP條形板(碳纖維板材)補(bǔ)強(qiáng)加固。且結(jié)構(gòu)處于施工尚未交付階段，構(gòu)件在此階段初始應(yīng)變較小，在此情況下，不考慮二次受力情況。

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的加固，由于汽車吊在屋面上行駛會(huì)產(chǎn)生較大的壓力，考慮到汽車吊行車過程中，部分位置會(huì)有較大的局部壓力的存在，故在腹板雙側(cè)按構(gòu)造要求設(shè)置橫向加勁肋。

加固設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，當(dāng)鋼梁進(jìn)行了碳纖維的加固處理后，在汽車吊行駛過程及起吊過程中，鋼梁的撓度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，因此認(rèn)為加固的設(shè)計(jì)方案是有效合理的。碳纖維加固施工過程簡單，施工效率較高，且對(duì)周圍環(huán)境影響較小，滿足該工程對(duì)進(jìn)度及質(zhì)量的要求。

[1] 張鳳翻.混凝土結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)用片材的選材和使用[J].建筑學(xué)報(bào)，2001，31(3)：6-15.

[2] 江學(xué)良,楊 慧,孟茁超,等.FRP在土木工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào)，2010(18)：111-117.

[3] 王 旭.CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析[D].吉林：吉林建筑大學(xué)，2015.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50017—2017.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中國建筑工業(yè)出版社，2017.