鋼框架結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固方法研究

褚少輝

（1.河北省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北省既有建筑綜合改造技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050227）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度高、重量輕、施工快速方便等特點(diǎn)越來越多地被廣泛應(yīng)用于我國的房屋建筑中，鋼結(jié)構(gòu)房屋的質(zhì)量安全越來越被廣泛地關(guān)注。由于設(shè)計(jì)、施工及安裝等過程的不規(guī)范，會對鋼結(jié)構(gòu)房屋造成不同程度的質(zhì)量缺陷，因此有必要對鋼結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行質(zhì)量檢測和鑒定。對鋼結(jié)構(gòu)房屋的質(zhì)量檢測鑒定是對建筑物質(zhì)量評定的重要依據(jù)，對提高建設(shè)工程質(zhì)量、節(jié)省資金、保證安全生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)安全方面都起到了重要的作用。本文結(jié)合某鋼框架結(jié)構(gòu)，對其檢測鑒定及加固方法和思路進(jìn)行研究。

1 工程概況

某商店為 2 層鋼框架結(jié)構(gòu)，首層層高約為 4.30 m，二層層高約為 3.63 m，樓面為樓承板現(xiàn)澆混凝土組合樓板，屋面為彩鋼板，鋼柱和鋼梁均采用 Q235 的實(shí)腹式熱軋工字型截面，基礎(chǔ)形式為柱下混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，建筑面積約為 1 300 m2。該商店約建于 2000 年，該框架結(jié)構(gòu)由于其建設(shè)年代較遠(yuǎn)，無正規(guī)設(shè)計(jì)圖紙及施工和監(jiān)理資料。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查繪制，該鋼框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平面圖如圖 1 所示。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)檢測鑒定

結(jié)合本工程的現(xiàn)場實(shí)際情況，由于鋼框架結(jié)構(gòu)的門口雨棚和電梯井區(qū)域不具備檢測條件，因此該區(qū)域不列入本次檢測鑒定范圍。依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測標(biāo)準(zhǔn)對該框架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀情況，鋼構(gòu)件的截面尺寸、鋼柱垂直度進(jìn)行檢測，依據(jù)檢測結(jié)果，對該框架結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件建立力學(xué)模型進(jìn)行承載力復(fù)核驗(yàn)算。

2.1 現(xiàn)場普查

現(xiàn)場普查是鋼結(jié)構(gòu)檢測的重要環(huán)節(jié)，檢測人員采用目視、拍照的方式，對現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)存在的質(zhì)量缺陷和損傷進(jìn)行調(diào)查記錄，確保應(yīng)檢盡檢，應(yīng)記盡記。現(xiàn)場普查結(jié)果如表 1 及圖 2～圖 7 所示。

表1 現(xiàn)場普查結(jié)果

圖2 柱腳連接做法（單螺帽）

圖3 框架梁-柱節(jié)點(diǎn)連接做法

圖4 懸挑區(qū)域挑梁與主梁鉸接連接做法

圖5 螺栓擴(kuò)孔

圖6 螺栓缺失

2.2 鋼構(gòu)件截面尺寸檢測

經(jīng)現(xiàn)場普查，本工程鋼梁、鋼柱構(gòu)件均采用熱軋 H 型鋼，由于無設(shè)計(jì)圖紙，故檢測結(jié)果均為檢測值。采用超聲波測厚儀、鋼卷尺檢測。構(gòu)件截面尺寸示意圖如圖 8 所示，具體檢測結(jié)果如表 2 所示。構(gòu)件截面尺寸的檢測對鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析模型的建立提供了數(shù)據(jù)支撐。

表2 鋼構(gòu)件截面尺寸檢測結(jié)果

圖8 鋼梁、鋼柱構(gòu)件截面尺寸示意圖

2.3 鋼柱垂直度檢測

鋼柱垂直度的檢測可較好地反映框架柱在工作荷載作用下的變形情況，采用經(jīng)緯儀、鋼卷尺對抽檢鋼柱進(jìn)行垂直度檢測，依據(jù) GB 50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［1］的相關(guān)規(guī)定，現(xiàn)場抽檢鋼柱的允許垂直度大部分不滿足規(guī)范要求。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型分析

2.4.1 工程荷載

①建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，重要性系數(shù)為 1.0。②材料強(qiáng)度：鋼梁、鋼柱均采用 Q235 鋼。③自然條件：基本風(fēng)壓取 0.35 kN/m2，基本雪壓取0.30 kN/m2，地面粗糙度類別為 C 類。④抗震信息：建筑抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為 7 度（0.10g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。⑤恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：樓面取 3.5 kN/m2（含自重），輕鋼屋面（含吊頂）取 0.75 kN/m2?；詈奢d標(biāo)準(zhǔn)值：樓面 2.5 kN/m2，屋面 0.3 kN/m2。

2.4.2 主要計(jì)算依據(jù)

①GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［2］；②GB 50223-2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》［3］；③GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）［4］；④GB 50068-2018《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》［5］；⑤GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［6］。

2.4.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本工程主體結(jié)構(gòu)采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司“盈建科 YJK-A1.9.3.2”軟件建模及計(jì)算。鋼框架整體模型圖如圖 9 所示。

圖9 鋼框架整體模型

2.4.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算后可知，該工程部分鋼梁構(gòu)件正應(yīng)力比值在 1.01～1.44，部分鋼柱構(gòu)件Y方向穩(wěn)定應(yīng)力比值在1.05～1.29，均不滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范允許限值 1.0 的要求。

3 加固處理方法

由于設(shè)計(jì)、施工失誤、材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或使用功能的改變等原因，鋼結(jié)構(gòu)常需要進(jìn)行加固。考慮到工程施工的便利性、加固的有效性及經(jīng)濟(jì)性問題，加固前應(yīng)對加固的原因進(jìn)行分析鑒定，明確結(jié)構(gòu)加固的范圍和內(nèi)容，續(xù)而選擇合適的加固方案。

根據(jù)現(xiàn)場普查結(jié)果和結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，該工程的主要問題為節(jié)點(diǎn)連接做法不規(guī)范，導(dǎo)致承載力不滿足要求，故針對設(shè)計(jì)或施工失誤造成的結(jié)構(gòu)受力缺陷問題進(jìn)行加固。

3.1 梁柱節(jié)點(diǎn)形式

在鋼框架結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能對于框架結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能有著很大的影響，現(xiàn)行規(guī)范中對節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的理念為“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)或施工不規(guī)范將直接影響鋼框架的受力性能，嚴(yán)重時(shí)可能會造成結(jié)構(gòu)的變形、傾斜或倒塌，因此節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工對結(jié)構(gòu)的安全性很重要［7，8］。

根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度和梁與柱的變形特性可將梁柱節(jié)點(diǎn)形式匯總?cè)缦隆?/p>

1）剛性節(jié)點(diǎn)，梁與柱之間的相對轉(zhuǎn)動完全受到限制，節(jié)點(diǎn)能夠傳遞并可以承受彎矩。

2）鉸接節(jié)點(diǎn)，梁與柱之間的相對轉(zhuǎn)動沒有限制，節(jié)點(diǎn)不能夠承受任何彎矩。

3）半剛性節(jié)點(diǎn)，梁與柱之間的相對轉(zhuǎn)動部分受到限制，節(jié)點(diǎn)能夠承受一定的彎矩。

在工程設(shè)計(jì)中，如果節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動約束可達(dá)理想剛性節(jié)點(diǎn)的 90 % 時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)；如果節(jié)點(diǎn)的相對轉(zhuǎn)動量可達(dá)理想鉸接節(jié)點(diǎn)的 80 % 時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)為鉸接節(jié)點(diǎn)；介于上述兩者之間的節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是半剛性連接。

3.2 缺陷損傷及節(jié)點(diǎn)加固方法

1）框架梁—柱節(jié)點(diǎn)上下翼緣均未焊接，僅腹板采用高強(qiáng)螺栓連接，不滿足框架結(jié)構(gòu)體系剛性連接要求，應(yīng)按框架梁—柱剛性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，考慮到節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力、延性和穩(wěn)定性直接影響到整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，故應(yīng)對節(jié)點(diǎn)域縱橫向梁柱進(jìn)行加固。

2）懸挑區(qū)域次梁節(jié)點(diǎn)均為鉸接連接，傳力不合理，應(yīng)將其進(jìn)行剛性連接，并對節(jié)點(diǎn)區(qū)域橫向梁柱進(jìn)行加固。

3）將部分節(jié)點(diǎn)存在連接板氣割擴(kuò)孔、螺栓缺失等情況進(jìn)行修復(fù)及加固處理，確保節(jié)點(diǎn)傳力不受影響。

4）對部分高強(qiáng)螺栓存在未擰緊情況，樓承板局部防腐涂層存在剝落情況進(jìn)行修復(fù)。

5）按規(guī)范要求對抗震構(gòu)造措施進(jìn)行加強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)場和結(jié)構(gòu)分析模型，對鋼框架檢測鑒定及加固方法進(jìn)行了研究。

1）通過現(xiàn)場普查可知，鋼框架的節(jié)點(diǎn)施工和設(shè)計(jì)不規(guī)范，缺陷和損傷對鋼框架結(jié)構(gòu)的承載力和穩(wěn)定性具有重要的影響，在鋼框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行。

2）根據(jù)檢測所測得的實(shí)際數(shù)據(jù)和鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，建立合理的計(jì)算模型對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗(yàn)算。計(jì)算后可知，該工程部分鋼梁構(gòu)件正應(yīng)力比值在 1.01～1.44，部分鋼柱構(gòu)件Y方向穩(wěn)定應(yīng)力比值在 1.05～1.29，均不滿足現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范允許限值 1.0 的要求。針對不滿足安全性要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件和工程現(xiàn)場的問題缺陷需要進(jìn)行加固處理以滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全性。

圖10 梁柱節(jié)點(diǎn)示意圖

3）對缺陷損傷、節(jié)點(diǎn)不合理的情況進(jìn)行加固處理，以滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。加固方案選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的功能要求、業(yè)主對工期和成本的要求以及加固方案的可實(shí)施性來確定最合理的加固處理方案。Q