工程施工過程中屋面行車引起的結構加固問題研究

袁巍巍，李保德

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

復合材料加固具有施工方便，形狀適應性較強，強度較大，防水防腐蝕效果較好的優勢，成為加固新的發展趨勢[1]。結構加固是一件綜合性較強的工程，需要考慮多種因素，整體進行加固的設計與施工[2]。在進行結構設計的過程中，需要考慮安全因素、經濟因素、社會影響因素以及業主要求等[3]。

1 項目背景

項目建筑為鋼筋混凝土裙樓結構，部分屋蓋主梁構件為鋼梁。在實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，而原結構設計中沒有考慮到這種情況，因此需要對結構進行結構驗算進而開展加固處理工作，從而滿足塔吊拆除施工的正常需求。針對汽車吊行駛過程，該文對結構進行了有限元的計算校核，并采用CFRP加固的方法對493號鋼梁進行了加固處理。

2 結構建模處理分析

2.1 結構模型處理

此結構為鋼筋混凝土裙樓結構，在使用盈建科建模之前，對結構的變形縫進行了統計整理，并且認為在變形縫處，相鄰部位之間彼此脫開獨立。當遇到變形縫的位置，變形縫相對分析位置以外的部分不進行建模。

2.2 荷載的統計及加載

在汽車吊行駛過程中，由于車輛自重較大，輪胎接觸樓板會對樓板產生較大的集中力，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至梁上，從而對樓板起到保護作用。

在模擬行車過程中，選取六個位置作為汽車吊停車時的位置，并進行相應的內力計算。路基箱自重均布荷載為4.17 kN/m2。認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 結構承載力驗算

經驗算，汽車吊行走路線中鋼梁區域需進行加固處理，汽車吊起吊支撐部位混凝土梁局部需進行加固處理。論文針對汽車吊行走過程對鋼梁進行分析。

3.1 結構計算的內力分布

采用盈建科軟件對結構進行建模，由內力計算結果可知，出現最大剪力及彎矩的構件為493號鋼梁，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號梁鋼梁截面為700×300×25×250×18×14 mm，接下來從強度、剛度、穩定性三個角度對構件進行可靠性驗算。

3.2 鋼梁構件的承載力驗算

3.2.1 穩定性驗算

在該結構各鋼梁截面中，由于混凝土板對H型鋼的上翼緣的約束作用，因此不存在整體失穩問題。

在該結構各鋼梁截面中，最大高厚比為46，小于上式中的高厚比要求，因此構件腹板滿足局部穩定要求。

3.2.2 鋼梁抗彎強度驗算

鋼梁截面面積A=2.12×10-2m2,梁跨度為17.26 m，由截面信息，對X軸求慣性矩，其值為1.67×10-3m4,中和軸以下部分凈截面對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，查閱鋼結構設計規范，可知該截面塑形發展系數γx為1.05。

則由鋼結構設計規范可知，鋼梁的抗彎承載力Mu=γx×Wnx×f,代入數據可得，該構件抗彎承載力為1 727.8 kN·m。由內力計算結果可知，最大彎矩為642 kN·m，故構件滿足抗彎承載力的要求。

3.2.3 鋼梁抗剪承載力的驗算

對截面進行中和軸計算可知，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中和軸的面積矩為S=2.24×10-3m3，則由鋼結構設計規范可得，構件的抗剪承載力VQ=fvItw/s,帶入數據計算得，VQ=1 774.3 kN，即鋼梁的最大抗剪承載力為1 774.3 kN。由內力計算結果可知，493號鋼梁最大剪力為-305.6 kN，因此，該構件滿足抗剪承載力的要求。

3.2.4 鋼梁撓度驗算

該構件在結構中為主梁，因此最大撓度容許限值應滿足l/400，該構件長度為17.25 m.故最大撓度容許限值為43.13 mm。由盈建科計算結果可知，構件最大撓度為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，具體設計分析如下：設粘貼的碳纖維板材厚度為t，寬度與下翼緣寬度等寬。由鋼結構設計規范公式，計算結果見表1。

由試算結果可知，當粘貼碳纖維板材厚度為20 mm時，在行車過程中產生的撓度為45.12 mm，不滿足最大撓度容許限值；當粘貼碳纖維板材厚度為25 mm時，撓度結果為43.19 mm，不滿足規范要求；

表1 不同碳纖維板粘貼厚度的構件撓度計算結果

當粘貼碳纖維板材厚度為30 mm時，撓度結果為41.55 mm，小于最大撓度容許限值，滿足規范要求。

由于附加了汽車吊行走荷載，對鋼梁的下翼緣粘貼高強Ⅱ號CFRP條形板(碳纖維板材)補強加固。且結構處于施工尚未交付階段，構件在此階段初始應變較小，在此情況下，不考慮二次受力情況。

對于鋼結構的加固，由于汽車吊在屋面上行駛會產生較大的壓力，考慮到汽車吊行車過程中，部分位置會有較大的局部壓力的存在，故在腹板雙側按構造要求設置橫向加勁肋。

加固設計方案如圖1所示。

經實際工程驗證，當鋼梁進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計規范要求，因此認為加固的設計方案是有效合理的。碳纖維加固施工過程簡單，施工效率較高，且對周圍環境影響較小，滿足該工程對進度及質量的要求。

[1] 張鳳翻.混凝土結構加固修補用片材的選材和使用[J].建筑學報，2001，31(3)：6-15.

[2] 江學良,楊 慧,孟茁超,等.FRP在土木工程結構加固應用中的研究進展[J].科技導報，2010(18)：111-117.

[3] 王 旭.CFRP加固鋼結構的力學性能分析[D].吉林：吉林建筑大學，2015.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50017—2017.鋼結構設計標準[S].中國建筑工業出版社，2017.