某收費站節(jié)點破壞分析與加固技術

郭晶晶，陳 琛，潘宇翔，孫鵬程

（1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；2.南京創(chuàng)安結構設計事務所有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

高速公路收費站雨棚一般造型獨特，特點鮮明，不僅成為城區(qū)與高速公路連通的“咽喉”，甚至承擔著該座城市的門面。作為城市形象的名片，其第一印象往往會引起較大的社會關注與反響。收費雨棚一般采用外露鋼結構形式，由于在維護時不能中斷交通，因此多數(shù)收費站雨棚往往無法正常保養(yǎng)，造成了鋼結構銹蝕較為明顯，嚴重的還會對主體結構造成較大的安全隱患。

1 工程概況

某高速收費站主體結構體系采用預應力拉索鋼結構體系，屋面呈彎曲葉片狀，屋面為雙向 H 型鋼組成的空間體系，柱中跨度為 26.7 m，懸挑長度最大為 11.0 m。結構一端采用三角形變截面格構柱支承，另一端采用兩根四肢變截面梭形柱通過 12 根預應力拉索將屋面與伸出屋面約 9.5 m 的兩根柱頂進行斜拉。收費站原始面貌圖如圖1 所示。

圖1 收費站原始面貌圖

圖2 收費站結構平面布置圖（單位：mm）

收費站于 2005 年建成通車。格構柱鋼柱采用鋼管相貫焊接，且為坡口對接焊縫，屋面 H 型鋼采用高強螺栓和焊接結合形成剛性連接，格構柱柱腳剛接（如圖2 柱 1 位置），梭形柱柱腳鉸接（如圖2 柱 2 位置）。收費站結構整體平面布置圖如圖2 所示。

2 擬解決的關鍵問題及加固思路

加固方案需要有一個整體思路來引導，不能只著重于構件的層次。鋼結構的連接在工程中有非常重要的作用，鋼結構連接的好壞會直接影響鋼結構工程的質量和安全［1］。針對本項目，需要解決以下幾個關鍵問題。

1）由于收費站年久失修，存在工程質量問題較多，主要包括鋼結構表面部分油漆脫落，局部關鍵節(jié)點銹蝕嚴重；屋面結構部分存在滲水、焊縫缺陷等現(xiàn)象，部分主要構件甚至并未焊透；柱底鋼管與空心球焊縫存在明顯缺陷；懸挑部分拉索松弛現(xiàn)象較為嚴重，結構穩(wěn)定性較差；檢測出的拉索索力已不符合設計值導致柱頂位移過大。

2）由于柱底鋼管與空心球焊縫存在較為明顯的缺陷，底部銹蝕較為嚴重，加之遭遇冰凍災害，導致梭形柱柱底與焊接球焊縫全截面脆斷，也是本項目中最為棘手的問題。由于原受力點位置負荷較大，關鍵桿件及節(jié)點破壞后內力重分布后情況不明，隨時可能導致二次破壞甚至倒塌。柱底破壞病害圖如圖3 及圖4 所示。

圖3 柱肢底部銹蝕嚴重

圖4 柱底相貫焊縫通長斷裂

3）結構發(fā)生病害后一直處于受力狀態(tài)，雖然靜止狀態(tài)下暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于結構自重較輕，對風荷載敏感，抗側水平剛度不夠，部分拉索松弛失效，很容易發(fā)生傾覆現(xiàn)象。

針對以上關鍵問題，結合房屋安全監(jiān)測報告數(shù)據(jù)，分析認為：懸挑部分整體性差、柱頂水平位移較大等問題可通過修復屋面缺陷以及對索進行再張拉得到修復或改善。而梭形柱鋼管焊縫通長斷裂后，鋼柱仍處于原位，斷口處未見明顯相對位移（見圖4），屋面以下結構穩(wěn)定性較好，位移不明顯。進而提出以下加固思路：首先對屋面及屋面以上結構缺陷進行處理，加強其剛度和整體性；再對柱底焊縫缺陷進行處理，從而完成對整體結構的加固。

按照以上思路，根據(jù)方案按實施的先后順序制定了以下幾個關鍵目標。

①按現(xiàn)場勘測情況對主體鋼結構進行真實建模計算，為加固方案提供數(shù)據(jù)支持；②對屋面鋼結構其他次要部位焊縫缺陷進行處理；③解決鋼柱滲水銹蝕問題；④對屋面拉索進行再張拉，解決鋼索松弛的問題；⑤解決柱底鋼管與空心球間焊縫缺陷的問題；⑥處理屋面滲水的問題，處理銹蝕、油漆脫落問題。

本次施工中，難點及重點內容主要是對原結構主體進行頂升卸載、施工過程中的防傾覆破壞措施及卸載后對病害柱腳進行加固處理方式方法。

3 結構整體分析

按原設計結構體系及結構截面結合現(xiàn)場實際做法情況，建立結構計算模型，整體計算模型如圖5 所示。

圖5 計算模型示意圖

對計算模型按國家現(xiàn)行規(guī)范［2-3］進行加載計算，根據(jù)實際情況，對梭形柱柱肢鋼管底部焊縫整條破壞的情況，進行“刪除桿件法”處理（如圖6）。

圖6 梭形柱柱腳焊縫破壞模擬示意圖

刪除柱肢桿件后，結構各方向整體振動周期如表1 所示。

表1 “刪桿后”結構自振周期表

所有桿件強度應力比分布圖如圖7 所示，桿件穩(wěn)定應力比如圖8 所示。由數(shù)據(jù)可知，在梭形柱柱腳肢管退出工作后，鋼柱荷載傳導途徑重新分布，結構中大部分桿件的應力比仍小于 0.6，少數(shù)幾根桿件應力比超過 1.0，缺失鋼管柱腳附近的橫向桿件應力較大幅度增加。

圖7 桿件強度應力比分布圖

圖8 桿件穩(wěn)定應力比分布圖

由于柱肢焊縫貫通破壞，結構內力發(fā)生重分布，加固時考慮對原有梭形柱鉸接柱腳進行剛接處理。由于現(xiàn)場對原有相貫焊縫補強難度較大，擬采用在柱腳鋼管與空心球處增設加勁肋的方法對節(jié)點進行補強，加勁肋按等面積原則進行設置。

經計算，每根鋼管應設置 3 道加勁肋，加勁肋的厚度采用 18 mm，寬度 150 mm，包裹角度采用 180°。補強鋼板底部用角焊縫與空心焊接球連接，使鋼柱荷載通過加勁肋傳遞至焊接空心球，避開有缺陷的焊縫。完成加勁肋補強后，再用圓鋼管對節(jié)點進行包裹并在內部填充混凝土，從而完成對柱腳節(jié)點的加固，將原來的鉸接節(jié)點改為剛接做法，處理方案如圖9 所示。

圖9 外包鋼板柱腳加固示意圖（單位：mm）

圖10 外包鋼板施工工藝模擬

方案確定后，采用 BIM 技術對該節(jié)點進行了施工方案模擬，如圖9 及圖10 所示。先采用頂升系統(tǒng)對原有結構進行卸載，然后對原有梭形柱柱底焊接加勁肋，完成后對柱腳節(jié)點采用鋼管混凝土進行包裹，最后拆除反力架完成整個加固施工。相應的原設計模型中鉸接柱腳變?yōu)閯偨舆B接，對修改后的結構模型重新計算，得到各方向自振周期如表2 所示。

經計算，所有桿件強度應力比重新回歸 1.0 以內，采用柱腳約束方案后結構整體剛度加大，有良好的冗余度，屋面結構整體處于安全狀態(tài)。

表2 “柱底剛接”結構自振周期表

梭形柱柱底固接后最大支座反力值軸力 693.4 kN，相較鉸接連接僅增大了 4.8 KN；相應的兩個方向彎矩分別為 3.091 kN·m 和 10.416 kN·m，彎矩值較小，由此可見梭形柱底部剛接對于節(jié)點區(qū)域影響不大，未大幅增加節(jié)點區(qū)域的彎矩，同時也說明焊縫破壞對整體剛度影響有限，采用“柱底剛接”方案合理可行。

4 加固方案及施工

4.1 連接缺陷處理方案及施工

對于高強螺栓缺失的情況，補充安裝；對于已有的高強螺栓按終擰扭矩達到設計值的標準進行重新施扭。若重新施扭過程中螺栓發(fā)生破壞，用同規(guī)格高強螺栓進行更換。對于焊縫缺陷區(qū)域以及未焊接部位，在對焊縫附近構件表面清理打磨后，進行補焊，必要部位如焊接處垂直于受力方向處則需要進行卸載或采取分段焊接的措施，焊縫寬度及質量等級應與原設計相同。

4.2 涂裝缺陷處理方案及施工

對于銹蝕、油漆脫落、母材缺陷等情況，應在對結構進行清理打磨后進行再次涂裝。

4.3 構件缺陷處理方案及施工

梭形柱柱底焊縫整條破壞的原因為柱鋼管在其上部未完全封閉，在使用過程中，雨水滲入鋼管內部并灌滿。在低溫環(huán)境下鋼管內部水結冰膨脹，致使焊縫破壞。加固前需在鋼管靠近柱底位置打孔排空鋼管內積水，對格構柱鋼管所有焊縫及開口處進行檢查，焊縫有缺陷處清理打磨后進行補焊封閉，開口處未封閉的或者端板銹蝕處應清理后根據(jù)情況采取補焊或者補充端板的方式進行封堵。

對于已經滲漏并銹蝕的構件，為了抑止銹蝕繼續(xù)加重可采取填充灌漿料或氮氣的方式隔絕其與空氣接觸繼續(xù)發(fā)生氧化反應。

4.4 拉索缺陷處理方案及施工

本工程鋼索采用 OVM 系列的 PES 5-85，破壞力為2 787 kN，原設計最大有效拉力值為 151 kN，遠小于其極限值。加固是只需將其拉力再張拉至原結構設計索有效拉力值，張拉時先長索后短索，柱兩側索成對交替張拉，兩柱應同步進行張拉。

4.5 柱頂焊縫缺陷處理方案及施工

柱腳處的病害處理是本項目的難度和重點，加固前首先要選擇合適位置布置反力架并對原結構主體進行頂升卸載，施工過程中還要確保大棚穩(wěn)定性，防止發(fā)生傾覆破壞。

本次施工時主動頂升設備采用 TPower-2 頂升系統(tǒng)，該系統(tǒng)由南京創(chuàng)安結構事務所有限公司自主研發(fā)，位移控制最高精度可達 0.1 mm，每一點都可獨立設定位移值。頂升時采用 100 t 帶自鎖千斤頂，在卸載完成后及時利用千斤頂自鎖裝置進行自鎖，確保了收費站施工過程中的穩(wěn)定性。另外在卸載和施工過程中設置位移報警閥值，發(fā)生較大變形時實時預警。過程中還對梭形柱柱頂、屋面關鍵點進行實時位移檢測，確保施工工程中大棚變形在可控范圍內。由于本次卸載荷載過小，可采取手動卸載，采集油壓傳感器傳來的數(shù)據(jù)進而判斷卸載程度。頂升卸載施工圖及現(xiàn)場做法如圖11 所示。

圖11 頂升卸載施工圖及現(xiàn)場做法

根據(jù)現(xiàn)場情況，梭形柱由四根鋼管組成，鋼管間聯(lián)系較弱，給卸載帶來了一些難度。擬在柱腳節(jié)點以上區(qū)域采用鋼連接件加強鋼管間聯(lián)系后澆筑混凝土作為卸載承臺，每根柱采用四個自鎖式千斤頂。鋼結構水平荷載通過設計的限位柱傳遞給基礎，千斤頂支撐架和限位柱采用鋼結構形式。另外可以看到，采用 BIM 技術對施工方案進行模擬后，可真實還原施工過程中的條件和場地限制，對施工流程及做法提前進行把控，具有很好的指導意義。最終整個施工過程安全平穩(wěn)，施工成果效果明顯，得到業(yè)主的一致好評，加固施工及完成后的效果如圖12 所示。

圖12 加固施工及完成后效果

5 結 語

由于氣溫驟降且年久失修，露天鋼結構容易暴露出一系列問題，例如屋面板破損嚴重，鋼結構表面油漆脫落，甚至是鋼柱腳或者梁柱主要節(jié)點域處焊縫銹蝕破壞，拉索松弛、索力損失等，某些問題已經造成了較為嚴重的結構安全隱患，亟待加固維修。本文結合實際工程案例，針對復雜鋼結構加固設計方法及思路進行了探索，依據(jù)節(jié)點的構造特點，利用有限元軟件建立分析模型，從各個角度對結構進行了計算分析，在滿足國家現(xiàn)行規(guī)范要求的前提上，對該類型項目所采用的加固構造措施及加固方法進行了補充，旨在對同類項目的結構加固工作提供一些積極的建議。