某綜合管架傾斜和基礎開裂的鑒定及加固處理

臧 宇 張燕莉 金國芳

(同濟大學結構工程與防災研究所，上海200092)

1 引言

管架結構是生產企業常見的一種構筑物，用以支承架空設置的管道，具有面多量廣、形式復雜多樣的特點。隨著社會經濟的發展，企業經常遇到技術工藝改造、增加產能等情況［1］，如果盲目地在現有管架上增設管道，會導致使用荷載超過原設計荷載，從而影響管道支架的正常使用和結構安全。

某企業的綜合管架始建于2005年，實際使用中，因生產需要，陸續在管架的不同部位增設了大小不等、介質各異、工況各異的若干根管道，綜合管架上荷載增加較多，以致綜合管架的鋼柱傾斜，基礎混凝土開裂受損。為此，為確保該綜合管架的結構安全和正常使用，需對綜合管架進行結構鑒定和加固。

本文根據對綜合管架的現場檢測結果進行了結構計算分析，對抗震承載力驗算不滿足抗震鑒定要求的結構構件，給出了相應的抗震加固方案，并分析了綜合管架受損的原因。

2 工程概況

綜合管架采用鋼結構，長度約400 m，圖1為綜合管架平面位置示意圖。綜合管架采用門形雙層管架(圖2)，局部現狀見圖3。沿綜合管架縱向，在管架柱之間設置縱梁或跨度較大的桁架，構成空間體系。

圖1 綜合管架平面布置示意圖Fig．1 Arrangement diagram of integrated pipe rack

圖2 門形雙層管架Fig．2 Portal pipe rack of double-decker

圖3 綜合管架局部現狀Fig．3 Photos of parts of integrated pipe rack

0－T軸管架柱采用樁基礎，其余管架柱采用鋼筋混凝土獨立基礎。本工程基本風壓為0．50 kN/m2，B類地面粗糙度。抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0．10 g，場地類別為Ⅳ類，場地特征周期為0．65 s。

3 現場調查檢測

3．1 基礎現場檢測

檢測結果表明:基礎尺寸與原設計圖紙吻合，基礎混凝土施工質量較好，混凝土強度均達到原設計值(C30)。部分基礎混凝土開裂受損(詳見本文3．4節受損情況調查)。

3．2 管架現場檢測

檢測結果表明:綜合管架的鋼構件尺寸與原設計圖紙基本吻合，構件間的焊接和螺栓連接質量較好，鋼材強度均達到原設計等級(Q235)。

3．3 管道設置情況調查

原設計綜合管架上放置4根管道及2組電纜橋架。根據現場調查檢測，大部分管架上的管道數量從原設計的4根增加到11根至21根不等，增設的管道直徑不等，管道內的介質各不相同。

3．4 受損情況調查

現場調查發現，綜合管架主要的受損情況是:部分基礎混凝土開裂受損，1/01軸和④軸基礎混凝土開裂受損的現狀見圖4。除上述外，綜合管架其余結構構件均完好無損。

3．5 綜合管架鋼柱傾斜測量、沉降觀測及調查

圖4 部分基礎混凝土開裂受損情況Fig．4 Photos of damaged foundation

采用經緯儀對綜合管架鋼柱進行傾斜觀測，測量結果表明，除了0軸(傾斜率11．8‰)和1/01軸(傾斜率10．8‰)的綜合管架鋼柱傾斜較大外，其余鋼柱的傾斜率約為2‰。綜合管架鋼柱傾斜測量部分結果詳見圖5，圖中傾斜值包括綜合管架原施工的垂直度誤差在內。

采用水準儀對管架鋼柱進行沉降觀測，測量結果表明，采用樁基的0軸鋼柱沉降較小，沉降值為36 mm，沒有采用樁基的鋼柱沉降較大，最大沉降為222 mm(⑤軸)，其次1/01軸為160 mm。

4 綜合管架結構荷載和地震作用計算

管架結構一般以一個溫度區段作為一個計算單元，現將0－⑥軸溫度區段(荷載大、綜合管架傾斜較大及基礎混凝土開裂受損的區段，圖6為立面圖)綜合管架的結構計算分析結果匯總如下。

根據文獻［2］可知綜合管架承受管道永久荷載、可變荷載和水平荷載，列于表1。

圖5 綜合管架部分鋼柱傾斜測量結果(0、1/01軸)Fig．5 Inclination measurement results of some columns of integrated pipe rack(0 and 1/01 axis)

圖6 0～6軸綜合管架立面圖Fig．6 Elevation of integrated pipe rack from 0 to 6 axis

4．1 永久荷載(垂直荷載)

綜合管架橫梁所受的垂直荷載實際上均為集中荷載，但是進行結構設計時，對于小直徑管道(通徑DN＜400 mm的管道)，緊湊地分布在橫梁上，當管道數量超過3根時，可以按文獻［3］中表5-42所示的方法將集中荷載簡化成均布荷載考慮。

根據現場調查檢測所得0－⑥軸綜合管架管道設置的現狀，可以計算出作用于綜合管架橫梁上的垂直荷載，見表2。

4．2 可變荷載(垂直荷載)

平臺和走道板上的活荷載標準值取2．0 kN/m2;設計不考慮冰雪荷載;管徑大于300 mm的管道，考慮標準值為0．2 kN/m2的積灰荷載。

表1 綜合管架荷載分類Table 1 Load classification of integrated pipe rack

表2 橫梁所受垂直荷載標準值Table 2 Standard value of vertical load on beam

4．3 縱向水平可變荷載

根據文獻［2］可知，綜合管架橫梁上的水平推力包括以下數值:

(1)管道補償器的彈性力標準值∑Fb，kN;

(2)關閉閥門時，管道的閥門、彎管及盲板等由介質產生的內壓力標準值∑Fn，kN;

(3)管道變形時，管道與橫梁之間發生相對位移，產生的摩擦力標準值∑Fm，kN。

由管道專業計算提供∑Fb和∑Fn，摩擦力Fm按下式計算:

式中，Kq為牽制系數;G為管道垂直荷載;μ為摩擦系數。

4．4 風荷載計算

按文獻［3］中5．2．4條所示的方法，單層多管風荷載和多層多管風荷載計算分別為

式中，ωk為風荷載標準值;μz為風壓高度變化系數;μ0為整體計算體形系數，當 μzω0D2≥ 0．015時，μ0=1．0;當 μzω0D2≤ 0．015 時，μ0=2．0，中間值按插值法計算;ω0為基本風壓;l為管道跨度(若管架兩側的跨度不等時，取平均值);μsi為風荷載體型系數;ωki為第i層風荷載標準值;μ'i為上下層之間影響系數，按S/D由圖7查找;Di為管道保溫后外徑;Si最大管之間凈距。

圖7 多層多管層間影響系數Fig．7 Influence coefficient curve

管架風荷載可按下式計算:

式中，ωk為風荷載標準值(kN/m);βz為高度z處的風振系數;μs為管架風荷載體型系數;μz為風壓高度變化系數;ω0為基本風壓(kN/m2);b為迎風面的管架梁高或柱尺寸。

4．5 地震作用計算

管道集中布置在綜合管架上部，根據《構筑物抗震設計規范》(GB 50191—2012)［4］規定，管架采用近似于單質點體系的結構，故對于敷設單層或多層管道的管架結構，其抗震計算宜采用底部剪力法。

5 綜合管架結構承載力有限元分析

根據原施工圖和現場檢測結果，采用有限元軟件SAP2000等并與手算相結合的方法對綜合管架進行結構計算分析，0－⑥軸綜合管架SAP2000計算模型示意圖見圖8。

5．1 地基基礎驗算

綜合管架柱采用外露式柱腳與基礎剛接或鉸接，柱腳設置抗剪鍵抵抗水平力，根據文獻［5］提供的簡化計算方法，假定柱腳底板與基礎接觸面的壓應力呈直線分布，最大壓應力按下式計算:

圖8 SAP2000模型示意圖Fig．8 Diagram of model in SAP2000

式中，N為柱腳底面的軸向力;Mx，My分別為柱腳底面繞x軸和y軸的彎矩;Wx，Wy分別為柱腳底板對x軸和y軸的截面模量。

在最不利的荷載組合下，各軸柱底軸力N、彎矩M和柱腳底板與基礎接觸面的最大壓應力σmax計算結果見表3。

表3 柱腳底面反力和接觸面最大壓應力Table 3 Reaction force on bottom of columns and maximum compressive stress on contact surface

按照《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)［6］驗算柱腳底板與基礎接觸面處混凝土的局部受壓承載力，結果表明，1/01軸柱基礎局部受壓承載力不滿足規范要求。

對綜合管架地基基礎承載力進行驗算，結果表明，除1/01軸柱下基礎局部受壓承載力不足外，其余均滿足規范［7］要求。

5．2 上部鋼結構驗算

綜合管架柱除承受垂直荷載外，還同時受到縱向和橫向水平荷載作用，為雙向受力構件，按《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)［8］中的壓彎構件驗算承載力。驗算結果表明，綜合管架柱的承載力滿足規范要求。

綜合管架橫梁受到管道的垂直荷載和水平荷載，為雙向受彎構件，按文獻［8］中4．2．3條的要求，按下式驗算橫梁的整體穩定性:

式中，φb為繞強軸彎曲所確定的梁整體穩定系數;γy為截面塑性發展系數。

驗算結果表明，綜合管架橫梁的承載力滿足規范要求。

綜合管架縱梁、桁架、支撐和連接節點經過驗算，承載力滿足規范［8］要求。

6 鋼柱傾斜、基礎混凝土開裂受損原因分析

經現場調查檢測和結構計算分析，綜合管架部分鋼柱傾斜、基礎混凝土開裂受損的主要原因分析如下:

(1)綜合管架很長，各段鋼柱的基礎類型不一(柱下鋼筋混凝土獨立基礎、樁基)，致使綜合管架建造初期部分鋼柱產生不同程度的沉降，特別是相鄰的基礎類型不同的鋼柱就存在不均勻沉降。同時，在實際使用中，因生產發展需要，在綜合管架的不同部位陸續增加了大小不等的多根管道，局部使用荷載的增加，加劇了這些鋼柱的不均勻沉降。

(2)基礎混凝土開裂受損，主要原因為1/01軸、①軸、③軸和④軸處的綜合管架跨度較大，且新增管道數量較多，荷載增加較大。經驗算，1/01軸基礎局部受壓承載力不足，①軸、③軸和④軸柱腳底板與基礎接觸面的最大壓應力較大，已接近混凝土局部承壓強度。這些部位的基礎混凝土開裂受損是由于基礎局部受壓承載力不足所致。

此外，部分混凝土基礎開裂是發生在二次灌漿與第一次澆灌的混凝土之間粘結不佳所致。

(3)上述的這些不均勻沉降以及基礎局部受壓不足致使該處的鋼柱傾斜、基礎混凝土開裂受損。1/01軸、0軸鋼柱傾斜原因具體如下:

1/01軸荷載大于0軸，且1/01軸采用鋼筋混凝土獨立基礎，0軸采用樁基，造成1/01軸沉降大于0軸，二者產生不均勻沉降，導致鋼柱向1/01軸傾斜。

(4)開裂受損的混凝土基礎(未及時修補處理)，長年使用中受環境影響，其開裂受損情況有所加劇。

7 結構加固處理方案

(1)在1/01軸、①軸原鋼柱邊各增設2根鋼柱GZ1進行加固，2根 GZ1間設置交叉支撐GZC1，在①－②軸柱間增設縱向交叉支撐GZC2，交叉支撐在交叉點應設節點板，具體位置見圖9。

圖9 加固構件位置圖Fig．9 Position of the strengthening members

(2)2根GZ1下設置鋼筋混凝土基礎。如果新增基礎與原柱下基礎相碰，則新老基礎組成聯合基礎，將新基礎的鋼筋植入老基礎中，并將老基礎的交接面鑿毛、沖洗干凈，再澆筑混凝土。

(3)部分鋼柱基礎混凝土開裂受損的處理:

①鑿除開裂受損的混凝土，鑿至混凝土密實處，保留原有鋼筋。

②老混凝土界面必須鑿毛，并鑿成凹凸面，凹凸面深度不得小于4 mm，用鋼刷將混凝土碎塊、浮渣灰等清除干凈。將原有混凝土表面沖洗干凈，再用新鮮425號水泥漿涂刷表面。

③澆筑(抹壓)強度等級為C35的細石混凝土，充分養護混凝土。

④施工中必須輕敲輕鑿，不得損傷原結構。

(4)鋼筋外露銹蝕的處理:

①先將腐蝕部分的混凝土(銹蝕鋼筋處)鑿掉，并清理至密實處。

②鋼筋除銹后涂刷防護層。

③抹壓環氧水泥砂漿。

(5)考慮到局部結構構件已作臨時加固處理，根據現場實際情況，可考慮臨時加固措施能否作為永久結構加固措施。

8 結語

通過對該受損的綜合管架的現場檢測和結構驗算可知:

(1)對于較長的綜合管架，應重視鋼柱基礎的設計，避免基礎類型不一等因素致使綜合管架產生不均勻沉降。

(2)施工中應確保基礎混凝土二次灌漿的施工質量。

(3)使用中，若生產發展需增設管道，應先結構驗算，評定其是否可行。不能盲目增加管道，增加各類荷載。

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