日光溫室鋼骨架端部銹蝕后的加固與修復(fù)技術(shù)

周長吉（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125）

鋼骨架是日光溫室承力結(jié)構(gòu)中的核心構(gòu)件。日光溫室結(jié)構(gòu)中90%以上都采用了鋼骨架，在現(xiàn)代輕簡化組裝結(jié)構(gòu)中更是全部使用鋼骨架。廣義的鋼骨架包括圓管鋼骨架、橢圓管鋼骨架、外卷邊C 形鋼骨架以及用圓管、鋼筋、C 形鋼做弦桿組裝或焊接而成的桁架，溫室結(jié)構(gòu)可以是全鋼骨架，也可以是鋼骨架與竹木骨架間隔布置的混合材料結(jié)構(gòu)。鋼骨架最大的特點(diǎn)是鋼材韌性好、承載能力強(qiáng)，構(gòu)件截面小、室內(nèi)遮光少，經(jīng)過熱浸鍍鋅表面防腐后材料抗腐蝕能力強(qiáng)、使用壽命長，因此具有較高的性價(jià)比。但日光溫室骨架所用鋼管或型材均為薄壁材料，壁厚多在2 mm 以內(nèi)，在高溫高濕的溫室環(huán)境中，一旦表面鍍鋅層出現(xiàn)破損，構(gòu)件將會很快被腐蝕。事實(shí)上，造成溫室鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的因素除了高溫高濕空氣環(huán)境外，空氣中的高CO2濃度也是造成鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的一個重要誘因。此外，鋼骨架兩端與墻體和基礎(chǔ)部位由于接觸到混凝土或土壤，在高鹽和高水分環(huán)境中腐蝕的速度更快[1]。

圖1 和圖2 分別為不同形式鋼骨架與溫室后墻頂面圈梁（梁墊）和前屋面骨架基礎(chǔ)連接處骨架的腐蝕情況。由此可見，溫室骨架與混凝土基礎(chǔ)或圈梁連接點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)骨架遭受腐蝕的最薄弱部位。本文就如何避免該連接點(diǎn)鋼構(gòu)件腐蝕以及發(fā)生節(jié)點(diǎn)腐蝕后如何修復(fù)或加強(qiáng)骨架保證結(jié)構(gòu)安全性的一些措施和方法做了綜合梳理，可供溫室設(shè)計(jì)和建設(shè)者借鑒和參考。

圖1 鋼骨架在溫室后墻頂面圈梁（梁墊）連接處的腐蝕情況

圖2 鋼骨架在溫室前屋面骨架基礎(chǔ)表面連接處的腐蝕情況

立柱加固法

立柱加固法就是在溫室骨架下附加立柱，用立柱部分或全部替代墻體或基礎(chǔ)來支撐整個屋面結(jié)構(gòu)。從立柱設(shè)置的持久性可分為臨時(shí)立柱和永久立柱兩種，前者主要設(shè)置在溫室屋面骨架的中部（或中前部），后者則主要設(shè)置在溫室屋面骨架的兩端。

前屋面骨架中部臨時(shí)立柱加固法

臨時(shí)立柱可設(shè)置在骨架的任何部位，一般設(shè)置在骨架變形較大部位或前屋面骨架的中部，可以是單根柱，也可以是多根柱（圖3）；所用材料可就地取材，可以是圓木（圖3a），但更多的是使用鋼管；立柱可以是單管直立（圖3a）、斜立（圖3b），也可以是雙管交叉支撐（圖3c）；立柱可以按照一定的間距規(guī)則設(shè)置，也可以根據(jù)前屋面骨架的變形情況在變形大的拱桿下局部設(shè)置。總之，臨時(shí)立柱設(shè)置具有較大的隨機(jī)性，一是設(shè)置的方式可以是隨機(jī)的；二是設(shè)置的時(shí)間也可以是隨機(jī)的，一般在下大雪或刮大風(fēng)預(yù)警時(shí)臨時(shí)設(shè)置，風(fēng)雪過后為便于作業(yè)在保證結(jié)構(gòu)不變形的情況下也可將其拆除。

圖3 設(shè)置臨時(shí)立柱

臨時(shí)立柱對骨架的支撐方式也有多種形式（圖4）。有的是將立柱直接支撐在前屋面骨架（圖4a），但更多的是支撐在連接前屋面骨架的縱向系桿上（圖4b、圖4c）。前者可以精準(zhǔn)支撐變形骨架，但對溫室整體屋面的支撐作用?。缓笳邉t可以在更大的屋面范圍內(nèi)起到支撐骨架作用，立柱用量少，但支撐作用大。

立柱支撐屋面縱向系桿的連接方式有直接連接（圖4b）和通過過渡連接件連接（圖4c）兩種。前者縱向系桿支撐點(diǎn)局部應(yīng)力較大，而采用柱頂槽鋼（或半圓管、C 形鋼、鋼板折板等）支撐縱向系桿后可以有效分散支撐點(diǎn)的應(yīng)力，更有利于提高結(jié)構(gòu)的整體承載能力。

圖4 臨時(shí)支柱在骨架上的支撐點(diǎn)及支撐方式

屋面骨架端部永久固定立柱加固法

在屋面骨架的中部或中前部設(shè)置臨時(shí)立柱主要是避免由于結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度不足造成骨架過大變形或失效，這種臨時(shí)加固方法如果用于加固因骨架兩端銹蝕而可能造成屋面結(jié)構(gòu)失效或倒塌情況，則臨時(shí)加固立柱變成了不可拆除的支柱，實(shí)際上也就變?yōu)榱擞谰眉庸塘⒅?/p>

對于屋面骨架整體承載能力能夠滿足結(jié)構(gòu)承載要求，而僅由于兩端的銹蝕使結(jié)構(gòu)失效或有失效危險(xiǎn)時(shí)，常采用骨架兩端設(shè)置固定立柱的永久加固方法。

永久固定立柱設(shè)置的方法可分為兩類：一類是下端支撐在地面基礎(chǔ)上的長立柱（圖5）；另一類是下端支撐在墻面或通過過渡件支撐在墻面或地面的短立柱（圖6～7）。按照立柱支撐的位置可分為前立柱和后立柱，前立柱設(shè)置在屋面骨架的前部基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)，支撐前屋面骨架的前端；后立柱設(shè)置在溫室后墻內(nèi)側(cè)，支撐后屋面骨架的后端。設(shè)置兩端立柱后，屋面骨架可以完全脫離后墻和基礎(chǔ)，從而有效解決了骨架兩端由于銹蝕而無法將骨架內(nèi)力傳遞到墻體或基礎(chǔ)的問題。

圖5 長立柱支撐骨架端部

（1）長立柱

設(shè)置長立柱時(shí)，為了減少立柱的數(shù)量（目的是為了節(jié)約成本，或更多是為了便于室內(nèi)作業(yè)），立柱柱頂與屋面骨架基本不采用立柱與骨架一一對應(yīng)的支撐形式，而是采用柱頂梁的過渡支撐方法，立柱支撐柱頂梁，柱頂梁再支撐屋面骨架。其中柱頂梁的形式有通長的橫梁（圖5b）和斷續(xù)的支撐桿（圖5c）兩種形式。柱頂梁用材可以是鋼管或角鋼，立柱材料多用圓鋼管。

柱頂梁與屋面骨架以及與立柱的連接大都采用直接焊接的方式。這種施工方式現(xiàn)場作業(yè)方便，也具有較大的靈活性，尤其適合于骨架銹蝕不規(guī)則，甚至在安裝和運(yùn)行過程發(fā)生位置偏差的情況。柱頂梁與屋面骨架連接時(shí)要求焊接點(diǎn)位置離開骨架銹蝕位置一定距離，焊接后應(yīng)除去焊渣并對焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行防腐處理。在未來的研究中應(yīng)積極開發(fā)系列化的組裝卡具，以徹底解決現(xiàn)場焊接破壞構(gòu)件表面鍍鋅層的問題[1]。

長立柱下部的固定一般采用獨(dú)立基礎(chǔ)（圖5a），為避免立柱基部積水，要求基礎(chǔ)表面應(yīng)高出溫室地面。

（2）短立柱

與長立柱設(shè)置不同，短立柱設(shè)置基本與屋面骨架一一對應(yīng)，而且立柱與骨架是直接連接。根據(jù)屋面骨架的型材不同，短立柱材料可以是圓管（圖6a）、方管（圖6b、圖6c），甚至是鋼筋（圖7）。短柱的長度應(yīng)盡量短，以滿足兩端穩(wěn)定支撐為原則。

圖6 用短柱支撐骨架端部

短柱上部與屋面骨架相連接，可以是焊接，也可以是栓接，對改造工程而言，焊接居多。短柱下部的固定有兩種方法：一種是獨(dú)立分散地將短柱直接固定在溫室后墻面上（圖6a、圖7c），即在溫室的后墻面上短柱下端所在位置安裝一塊鋼板或角鋼（可以用膨脹螺栓固定，也可以在墻內(nèi)打入長鋼筋來固定），將短柱的柱腳焊接在該固定鋼件上；另一種是將所有的短柱統(tǒng)一固定在柱腳下部沿溫室長度方向通長設(shè)置的橫梁上，該橫梁可以是方管（圖6b、圖6c），也可以是角鋼（圖7a），短柱用于支撐后屋面骨架時(shí)橫梁設(shè)置在后墻內(nèi)表面（圖6b、圖7a），短柱用于支撐前屋面骨架時(shí)橫梁設(shè)置在溫室地面上（圖6c）。橫梁在溫室后墻面上的固定可以采用長鋼釘將其釘掛在墻面上（圖6b），也可以在墻面上先固定鋼板件，然后用角鋼片支撐橫梁，并將其與鋼板片焊接在一起。用于支撐前屋面骨架短柱的橫梁，如果地面為混凝土可直接鋪臥在溫室地面上（圖6c），如果地面為自然土壤，則應(yīng)在橫梁下間隔一定距離設(shè)置混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。在獨(dú)立基礎(chǔ)上預(yù)埋連接件，將橫梁與基礎(chǔ)埋件相連接。

由于骨架的腐蝕都發(fā)生在與墻面或基礎(chǔ)接觸的位置，所以用短柱加固屋面骨架時(shí)，短柱的上端總要離開骨架基部一定距離，這樣從外表看短柱在豎直方向都會有一定傾斜角度，一般與豎直線的夾角在5°～10°。

采用鋼筋做短柱時(shí)，由于鋼筋截面小、承壓能力差，一般是在骨架的兩側(cè)設(shè)置雙根鋼筋進(jìn)行加固（圖7）。鋼筋立柱的下端多采用角鋼固定，上部與骨架的連接基本是采用焊接。

圖7 用雙鋼筋做短立柱支撐骨架端部

更換骨架法

更換骨架法就是用全新的骨架去替換腐蝕的骨架，實(shí)際上是對骨架的全面翻新。具體實(shí)踐中，骨架翻新的方法有兩種。一種是保留原骨架，在相鄰兩根原骨架之間增設(shè)新骨架（圖8），這種做法新舊骨架的外形尺寸完全相同，由此也就完全保留了原溫室的溫光和結(jié)構(gòu)性能。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了拆除舊骨架的成本，但缺點(diǎn)也很明顯，就是溫室屋面骨架數(shù)量翻倍，骨架的遮光面積也同時(shí)翻倍，此外舊骨架由于表面銹蝕，容易引起屋面覆蓋塑料薄膜表面老化或破損，因此，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下應(yīng)盡可能拆除舊骨架。

圖8 保留舊骨架增設(shè)新骨架

另一種翻新骨架的辦法就是拆除老舊骨架，用全新的骨架代替老舊骨架[2-4]。由于老舊骨架溫室設(shè)計(jì)和建設(shè)的時(shí)代都比較久遠(yuǎn)，受建設(shè)時(shí)期溫室研究和設(shè)計(jì)水平的限制，溫室的溫光性能較現(xiàn)代溫室都有差距，因此，新更換溫室骨架時(shí)實(shí)際上是對老舊溫室的一種全新改造，不僅要更換溫室骨架，而且可能要提高后墻高度或者加大溫室跨度，對溫室的脊高和后屋面長度等設(shè)計(jì)參數(shù)都會根據(jù)最新的研究成果進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，由此也將大大提高溫室的溫光性能。值得注意的是由于老舊溫室改造基本不會改變原溫室的位置，所以，在加大溫室跨度、提高溫室后墻高度或脊高時(shí)一定要準(zhǔn)確測算前棟溫室對后棟溫室的遮光，確保種植作物在種植季節(jié)所要求的光照時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)修復(fù)法

節(jié)點(diǎn)修復(fù)法就是對銹蝕的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部處理以恢復(fù)其原有功能。由于銹蝕桿件完全失去了結(jié)構(gòu)的承載能力，修復(fù)節(jié)點(diǎn)也就是要將這些銹蝕的桿件局部進(jìn)行功能性更換。這種功能性更換的方法包括完全切除構(gòu)件的腐蝕部位并在原位更換同規(guī)格的新構(gòu)件和保留原銹蝕構(gòu)件另外增設(shè)新的構(gòu)件或構(gòu)造措施與原構(gòu)件非銹蝕部位相連接的方法[5]。

實(shí)踐中，切除銹蝕部位并用新的構(gòu)件替代銹蝕部位的做法稱之為“斷肢再生法”（圖9a）。具體施工方法就是切除銹蝕部位，用相同規(guī)格的構(gòu)件焊接到原骨架的切口即可。這種做法對前屋面骨架只要揭開塑料薄膜即可施工改造，但對于后屋面骨架則需要整體拆除溫室后屋面，施工工程量較大，但更換的效果應(yīng)該最好。為了解決更換骨架銹蝕部位需要拆除溫室屋面的問題，實(shí)踐中大都是保留原骨架而在骨架銹蝕部位進(jìn)行局部功能性更換。

與“斷肢再生法”相類似的功能性更換方法包括原路“搭橋”法（圖9b）和旁路“搭橋”法（圖9c）。原路“搭橋”法是在原骨架銹蝕構(gòu)件旁側(cè)并行焊接一根同規(guī)格的新構(gòu)件，而旁路“搭橋”法新構(gòu)件的設(shè)置位置和方向不受銹蝕原構(gòu)件的約束，根據(jù)溫室具體可承載位置確定，生產(chǎn)中更具有操作上的靈活性，但結(jié)構(gòu)的傳力效果遠(yuǎn)不及原路“搭橋”的方法。

圖9 局部更換或替代腐蝕骨架

對于銹蝕范圍不大的骨架，可不必進(jìn)行構(gòu)件大范圍的功能性更換，只要在節(jié)點(diǎn)局部進(jìn)行加強(qiáng)即可實(shí)現(xiàn)對銹蝕部位構(gòu)件功能的替代。這些做法包括如同原路“搭橋”法類似的并聯(lián)鋼管加強(qiáng)法（圖10a）、焊接單支角鋼加強(qiáng)法（圖10b）和焊接多支角鋼加強(qiáng)法（圖10c），或許還有更多的方法。這些方法最大的好處是不必拆除或切斷原有構(gòu)件，因而工程改造的工程量小、費(fèi)用較低，但由于改造節(jié)點(diǎn)基本都是焊接處理，所以對焊接后焊點(diǎn)的表面防護(hù)將非常重要，如果對焊點(diǎn)不進(jìn)行表面防護(hù)，改造節(jié)點(diǎn)將很快銹蝕，又會重蹈改造的覆轍。

圖10 骨架銹蝕端部局部加強(qiáng)法

避免骨架基部銹蝕的方法

從骨架銹蝕的機(jī)理分析，造成骨架銹蝕的原因：一是骨架基部集聚了大量冷凝水使金屬構(gòu)件長期處于潮濕環(huán)境；二是骨架基部與混凝土或土壤接觸，其中的鹽分對金屬構(gòu)件形成腐蝕。為了避免骨架基部的腐蝕環(huán)境，實(shí)踐中，有人在骨架基部涂刷瀝青等疏水性表面保護(hù)涂層（圖11a），使金屬構(gòu)件表面遠(yuǎn)離水膜侵蝕；也有人在骨架設(shè)計(jì)中采用鋼筋混凝土短柱做基礎(chǔ)，將其伸出地面一定高度后與屋面骨架綁扎連接（圖11b），這種做法可將屋面骨架的金屬構(gòu)件完全脫離地面土壤，骨架與混凝土短柱之間的連接不是直接連接而是采用綁扎連接，從而顯著降小了二者之間的接觸表面，進(jìn)而有效降低了金屬構(gòu)件被腐蝕的幾率，使溫室骨架得到有效保護(hù)。

圖11 骨架基部的保護(hù)措施

在溫室設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中應(yīng)盡量用保護(hù)的方法來減少或甚至完全克服溫室骨架由于銹蝕而造成的結(jié)構(gòu)失效和二次維修，為溫室結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營提供可靠保障。