鋼結構夾層在老舊小區改造中的應用

于培龍 顧典科 范思軼

摘 要：鋼結構因具有強度高、質量輕、工廠化程度高、施工工期短、節約建筑空間等特點，在老舊小區改造中得到了廣泛應用。本文通過成功的案例，介紹鋼結構夾層施工關鍵技術和關鍵控制點，為老舊小區鋼結構改造提供依據。

關鍵詞：鋼結構夾層;老舊小區改造;二氧化碳氣體保護焊

中圖分類號：TU551文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0088-05

Discussion on the Application of Steel Structure Interlayer in

the Reconstruction of Old Residential Community

YU PeiLong GU Dianke FAN Siyi

（Sinohydro Engineering Bureau 8 Co.， Ltd.，Changsha Hunan 410004）

Abstract： Steel structure has been widely used in the reconstruction of old residential areas because of its high strength， light weight， high degree of industrialization， short construction period and saving building space. Through successful cases， this paper introduced the key technologies and key control points of steel structure sandwich construction， so as to provide basis for the transformation of steel structure in old residential areas.

Keywords： steel structure interlayer;transformation of old residential areas;carbon dioxide arc welding

中華人民共和國成立后，借助蘇聯經濟和技術的支持，國內開始進行鋼結構建筑的建設。之后，鋼結構通過不斷發展，逐步拓展到公共建筑、工業建筑和民用建筑等多個領域。但是，鋼結構的技術標準和要求水平仍較低。近年來，隨著技術的進步和人民需求的日益提高，原有的建筑標準已不能滿足人們的要求，要根據社會需求和功能劃分對舊的鋼結構建筑進行重新改造和設計。層高較高的建筑可通過增設鋼結構夾層調整空間布局，增加室內建筑面積，改善室內功能，在寸土寸金的用地上增加更多的活動空間。本文通過分析鋼結構夾層的技術難點和應用案例，探討其在老舊小區改造中的應用。

1 工程概況

花垣縣城南保障性安居工程配套基礎設施建設項目——農貿市場項目位于花垣縣城南社區廉租房小區，占地7 613.9 m2，建筑面積為14 456.5 m2，鋼結構建筑面積為7 613.9 m2，地下一層、地上一層，地下為框架剪力墻結構，地上為鋼結構，檐口高度為8.9 m，最高達11.8 m，屋面跨度為8～16 m，抗震烈度6度，設計使用年限50年。項目為花垣縣最大廉租房小區提供便民服務，便于社區居民就近購物買菜。2020年，為打造智慧農貿市場工程，完善小區配套，方便小區居民，農貿市場進行二次精裝修，完善消防設施和購物平臺，并對鋼結構增設鋼結構夾層，以滿足市場功能需求。

2 設計方案

在精裝修施工中，吊頂、照明、風扇、電纜、廣告牌等施工要考慮設置安裝平臺，以降低施工難度;同時，考慮到公共區域消防噴淋頭間距為2.6 m×2.6 m，同樣需要安裝平臺。針對上述因素，設計單位為降低安裝難度，減少施工周期，在+6.00 m標高處增加一層鋼結構夾層作為固定端，便于噴淋頭支架安裝。本結構設計荷載：消防噴淋管道0.5 kN/m2，吊頂裝修0.5 kN/m2。施工、使用過程中，荷載不得超過以上限值。

鋼結構夾層的結構計算采用同濟大學開發的3D3S鋼結構-空間結構設計軟件。主梁采用Q345B熱軋H型鋼HN500×200×10×16和Q235B熱軋H型鋼HM294×200×8×12，次梁采用Q235B熱軋H型鋼HN194×150×6×9。通過計算模型進行分析，并進行規范檢驗，發現夾層結構能滿足承載力要求，應力比最大值為0.94。

3 實施方案

3.1 實施原則

第一，精確測量，BIM（建筑信息模型）深化設計。在有限空間內對鋼結構進行施工時，必須對已有構筑物進行精確測量，消除構筑物主體偏差。本研究采用紅外測量儀器對已竣工的鋼結構進行空間定位[1]，然后導入Tekla鋼結構詳圖設計軟件中進行建模深化，將構件尺寸規格表送至工廠加工。

第二，多工具配合裝配施工。施工時，采用自行剪叉式作業平臺進行高處焊接作業，先將耳板焊接定位，然后采用手拉葫蘆吊裝，人工輔助鋼梁運送至耳板處，采用沖釘臨時固定，再采用高強螺栓固定連接。

第三，科學施焊，消除焊縫應力。先焊接收縮量大的焊縫，待收縮量大的焊縫自由收縮完全并緩慢冷卻之后，再焊接收縮量小的焊縫，以達到減小焊接殘余應力和變形的目的;嚴格控制焊接熱輸入（不超過50 kJ/cm），降低鋼材的熱敏感，以達到不降低鋼材的塑性和韌性的目的;采用對稱焊接，使構件的焊接殘余應力和變形趨于相對平衡的狀態;采用分段退焊，不僅可以減小熱輸入量，而且可以減小焊接殘余應力和殘余變形;焊前預熱，使鋼材在焊接過程中的溫度趨于均勻，從而達到減小焊接殘余應力的目的[2]。

第四，改變施工順序，消除累積誤差，防止荷載集中。施工時，通過合理劃分施工區域，先施工中央區域，再對稱施工周邊區域，減少構件累積誤差和構筑物的不均勻受力。

3.2 實施工藝

3.2.1 原結構實測及Tekla模型建模。本工藝采用紅外測量儀器對已竣工鋼結構進行空間定位，然后導入Tekla軟件進行建模深化，將構件尺寸規格表送至工廠加工，編號后運輸至現場堆放。原主體鋼結構及新增鋼結構夾層Tekla模型如圖1所示。

3.2.2 連接耳板焊接。夾層鋼結構與原有鋼柱主要通過連接耳板進行連接，連接耳板采用焊接的方式連接到原有鋼柱上。耳板與原鋼結構焊接節點及模型如圖2、圖3所示。圖中，數據單位均為mm。

根據母材材質、結構形式，現場安裝焊接采用二氧化碳氣體保護焊（GMAW），高空組裝焊接采用手工電弧焊（SMAW）或二氧化碳氣體保護焊（GMAW）。保護氣體為二氧化碳（CO2），純度為99.98%（露點不大于-40 ℃），焊接材料采用氫含量較低的焊材。焊接材料的選用原則與母材強度等強，焊接不同類別的鋼材時，選用與強度級別較低母材相匹配的焊材[3]。

焊材及焊接方法具體選用如表1所示。

3.2.3 鋼結構吊裝、安裝

3.2.3.1 吊裝順序。為減小累積誤差，且避免從單側安裝導致架體受力不均勻從而引發鋼結構失穩，鋼結構裝換層具體安裝順序為：從中間向四周進行安裝，先安裝主梁，待主梁安裝完成后進行次梁安裝。具體順序為：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，如圖4所示。

3.2.3.2 鋼結構吊裝。采用電動叉車輔以人工將主梁轉運至指定安裝位置后，采用2 t手拉葫蘆將鋼梁提升至指定高度后與事先安裝完成的連接耳板進行螺栓連接。手拉葫蘆固定形式為：先將寬8 cm、厚11 mm的起重吊帶固定于上部原有鋼梁上，隨后將手拉葫蘆上掛鉤掛于起重吊帶上，并采用12 mm鋼絲繩將下掛鉤與待安裝鋼構件連接牢固。手拉葫蘆上掛點如圖5所示。起吊時，鋼梁兩端同時起吊，吊運過程中采用纜風繩牽引控制擺動幅度，確保鋼梁起吊過程中始終保持與地面平行。起吊過程如圖6所示。

3.2.3.3 連接耳板與鋼構件間高強螺栓施工。本工程鋼構件鋼梁之間、鋼梁與鋼柱之間采用10.9級摩擦型高強螺栓連接，螺栓規格為M20。高強螺栓結合面不得涂漆，采用噴砂處理法，摩擦面抗滑移系數不小于0.45。高強螺栓的預拉力[P]=155 kN。高強螺栓嚴禁強行穿入，當不能自由穿入時，可用鉸刀進行擴孔。擴孔前，應首先將四周螺栓全部擰緊，使板迭密貼緊后再進行鉸孔。擴孔數量不得超過一個接頭螺栓孔數的25%，擴孔直徑不得大于原孔徑的1.2倍。嚴禁用氣割進行高強螺栓的擴孔工作。高強度螺栓一般用兩種方法擰緊，即扭矩法和轉角法。扭矩法分初擰與終擰二次擰緊。為減少初擰與終擰的高強度螺栓預應力的區別，一般先用普通扳手對其初擰，初擰扭矩一般為終擰扭矩的30%～50%，再用終擰扭矩將螺栓擰緊。若板層較厚，初擰的板層達不到充分密貼，還要在初擰與終擰間增加復擰。復擰扭矩和初擰扭矩相同或略大。轉角法也分初擰與終擰二次擰緊，初擰扭矩用終擰的30%～50%進行，使接頭的各層鋼板達到充分緊貼，再在螺母和螺桿上面通過圓心畫一條直線，然后用扭矩扳手轉動螺母的一個角度，使螺栓達到終擰要求。轉動角度的大小在施工前由試驗確定。

3.2.4 防火涂料施工

3.2.4.1 防火涂料。本工程鋼梁耐火極限要求為1.5 h，采用NCB-01型防火涂料刷1.5 mm即可滿足防火要求。

3.2.4.2 涂裝施工。鋼結構涂裝工程應在鋼結構安裝工程檢驗批和鋼結構普通涂料涂裝檢驗批的施工質量驗收合格后進行。

涂裝工藝、涂裝遍數、涂層厚度等均應滿足相關國家規范、標準及設計要求。待涂表面應清潔、干燥且無染物[4]。涂裝前根據《鋼結構工程施工質量驗收規范》 （GB 50205—2001）的要求進行表面處理，確保底漆已完全固化。

中間漆施工前，必須確保底漆涂層完整，任何破損、漏涂或返銹區域均不允許進行環氧中間漆的施工。

底漆、中間漆及面漆均為雙組分產品，施工單位應嚴格按照制造商提供的施工工藝進行實施，超過混合使用期的產品不得繼續使用。油漆供應商提供持有NACE 2級認證的現場技術服務協助油漆施工和檢查。

涂裝完成后，漆膜表面應光潔，厚度均勻，無皺皮、流墜、針眼、氣泡、脫皮、返銹等現象。構件表面不應漏涂、誤涂。

若涂裝過程中前道漆膜受損或其他原因使得漆膜的質量不能保證或難以保養，則應去除漆膜，使鋼材表面恢復原狀后重新按照正確的工藝步驟進行涂裝。

4 施工注意事項

4.1 精確測量

有限空間內，鋼結構施工必須對已有構筑物進行精確測量，消除構筑物主體偏差引起的施工偏差[5]。施工時，采用紅外測量儀器對已竣工的鋼結構進行空間定位，然后導入Tekla軟件進行建模深化，將構件尺寸規格表送至工廠加工，減少構件加工誤差，現場無須二次切割、焊接，節約人工、機械費用。

4.2 構件運輸

老舊小區或工業建筑承載能力有限，采用垂直運輸還是水平運輸，需要根據原有建筑承載能力考慮。本工程地下室頂板設計荷載為350 kg/m2，為減少水平運輸設備對頂板的影響，施工時采用小拖車運輸，自行剪叉式作業平臺進行高處焊接作業，先將耳板焊接，然后采用手拉葫蘆吊裝，人工調整鋼梁運送至耳板處，先采用沖釘固定，再采用高強螺栓固定連接。傳統工藝采用運輸車運輸，但吊裝受凈高限制，吊車無法作業，仍需要采用手拉葫蘆吊裝，且需要搭設滿堂支撐架對地下車庫頂板加固。

4.3 焊接殘余應力處理及變形控制

4.3.1 殘余應力及變形影響。鋼結構焊接時，焊縫密集，且材料強度等級高，延性降低，加之板厚大，拘束大，使焊縫不能自由收縮，產生的殘余應力較大，甚至可能超過鋼材的屈服強度，焊接殘余應力與外部荷載產生的應力疊加。如果是拉應力疊加，且處于雙向或三向拉應力狀態，則不僅會使鋼材脆性增加，延性降低，而且加大了鋼材產生裂紋或層間撕裂導致脆性斷裂的風險。如果是壓應力疊加，部分截面提前達到受壓屈服強度而進入塑性受壓狀態，由彈性受力狀態的截面承擔外部荷載，降低了結構剛度，對保證構件的穩定不再起作用，降低了結構的整體穩定性。

4.3.2 控制措施。先焊接收縮量大的焊縫，待收縮量大的焊縫自由收縮完全并緩慢冷卻之后，再焊接收縮量小的焊縫，以達到減小焊接殘余應力和變形的目的;嚴格控制焊接熱輸入（不超過50 kJ/cm），降低鋼材的熱敏感，以達到不降低鋼材的塑性和韌性的目的;采用對稱焊接，使構件的焊接殘余應力和變形趨于相對平衡的狀態;采用分段退焊，不僅減小熱輸入量，還可以減小焊接殘余應力和殘余變形;焊前預熱，使鋼材在焊接過程中的溫度趨于均勻，從而減小焊接殘余應力。

5 應用效果

本工程鋼結構夾層改造工程鋼結構總重約200 t，施工工期約30 d。施工期間，通過監測點定時進行監測，原有建筑結構無變化，鋼結構圍護結構無裂縫產生，地下室頂板無裂縫產生，施工期間粉塵、噪聲、固體廢棄物污染少，周邊居民無投訴現象，改造質量可控。鋼結構夾層橫梁施工如圖7所示，完成的效果圖如圖8所示。

6 結語

本文以花垣縣城南保障性安居工程配套基礎設施建設項目——農貿市場為研究對象，探討鋼結構夾層的技術難點，分析其在老舊小區改造中的應用。結果表明：老舊小區改造過程中，鋼結構的應用可大大減少混凝土等濕作業帶來的污染和影響，減少等強時間造成的居民生活不便。需要注意的是，在老舊小區改造過程中，要盡量減少對原有結構的破壞，如減少植筋對原有混凝土及鋼筋的損壞，減少對梁柱節點的破壞，減少對防火涂料、節能保溫材料的破壞，減少對現有公共財產的破壞，完善設計審核機制，優化節點連接方式，保證結構合理。

參考文獻：

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[3]徐波.某高層酒店加層改造的結構方案及梁柱節點構造[J].建筑結構，2006（3）：4-6.

[4]王云，王宏斌，袁泉，等.鋼結構在已有建筑改造中的應用[J].工業建筑，2001（2）：60-61.

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