鋼-混凝土組合屋蓋修復與改造設計*

劉小燕，董三升，雷 拓

(1.陜西建工第八建設集團有限公司，陜西 西安 710068； 2.長安大學建筑工程學院，陜西 西安 710061)

0 引言

將鋼筋混凝土結構與鋼結構屋蓋(架)組合使用，既充分發揮混凝土柱側向剛度大和抗壓性能好的特點，又發揮鋼屋蓋抗彎性能好、自重小和跨度大的優勢[1]。該混合體系兼具鋼筋混凝土和鋼材優點，是經濟高效的結構形式，在體育館、機場航站樓和工業廠房等工程中得到廣泛應用[2-6]。但目前尚未明確該類混合體系的受力性能和設計方法，加之施工過程中存在某些問題，導致采用該結構體系的安全事故偶有發生[7]。為盡可能地挽回經濟損失，并保證結構安全可靠，故對下部采用鋼筋混凝土結構、上部采用鋼屋蓋(架)的混合結構體系進行加固改造。本文結合某6層鋼筋混凝土框架結構頂部宴會廳鋼-混凝土組合屋蓋坍塌實例，基于現場檢測鑒定和驗算分析結果，完成屋蓋修復與改造設計。

1 工程概況

某6層鋼筋混凝土框架結構頂部宴會廳平面布置呈矩形，東西長42.0m，南北寬24.30m，建筑面積約1 020m2。采用鋼-混凝土組合屋蓋體系，南北向主鋼梁采用三段拼接式變截面實腹鋼梁(共6榀)，主鋼梁兩端與原預留混凝土框架柱采用滑動支座進行連接；東西向布置HN400×200×8×13次梁。主、次梁鋼材等級均為Q355B，框架柱及現澆屋蓋板混凝土強度等級分別為C45，C30。屋蓋結構平面布置如圖1所示。本工程始建于2021年8月，于2021年12月竣工，即將交付使用時，屋蓋局部發生坍塌事故，個別屋架鋼梁發生側移轉動，主屋架鋼梁拼接節點開裂，部分螺栓斷裂、脫落。

圖1 屋蓋結構平面布置

2 檢測鑒定分析

1)鋼梁豎向撓度檢測結果表明，本工程屋蓋明顯下撓，下撓最大處位于⑤軸主鋼梁。豎向撓度是由主鋼梁拼接節點下部螺栓拉斷破壞后引起主鋼梁剛體轉動造成的。

2)主鋼梁拼接節點檢測結果表明，部分主鋼梁拼接節點發生開裂，螺栓斷裂、脫落，其中⑤軸節點破壞最嚴重，節點上下錯位最大距離為130mm。

3)主、次梁連接節點檢測結果表明，除⑤軸主鋼梁破壞拼接節點東側南、北跨主鋼梁與次梁節點發生破壞外，大部分主、次梁連接節點未出現明顯破壞。

4)牛腿和滑動支座檢測結果表明，鋼牛腿、柱頂預埋板未發生明顯損傷。②～⑤軸滑移支座明顯傾斜，且傾斜方向基本向主鋼梁跨外方向，其中⑤軸支座破壞損傷最嚴重。①，⑥軸滑移支座未見明顯傾斜，但支座四角立桿均出現明顯變形。

5)屋蓋荷載檢測結果表明，測點荷載平均值為3.80kN/m2，較設計屋蓋做法荷載平均值增加14.5%。

6)材料強度檢測結果表明，混凝土柱、鋼梁及高強螺栓材料強度均滿足設計要求。

7)PKPM軟件驗算分析結果表明，原設計將混凝土柱-實腹鋼梁體系按門式剛架設計，導致鋼梁拼接節點設計錯誤，這是導致本次事故的直接原因。

3 修復與改造方案

結合檢測鑒定分析結果，考慮現場施工條件，為最大限度節省工期和造價，制定以下加固措施。

1)鑒于主鋼梁除拼接端板連接節點螺栓破壞外，未發生明顯變形，材料強度滿足設計要求，更換主鋼梁難度較大且沒必要，因此對坍塌的屋蓋主鋼梁進行加固，繼續使用。

2)鑒于原混凝土現澆屋蓋板做法超載，將原屋蓋板拆除，改為雙層金屬復合板屋蓋，并通過立柱進行找坡。

3)鑒于次梁基本完好，將原次梁改造為輕型屋蓋支撐，并增加水平、豎向支撐系統。

4)重新設計所有主鋼梁拼接節點。

5)更換所有主鋼梁端部滑移支座。

6)對原混凝土柱上牛腿進行加固補強。

7)對原主、次梁焊縫進行補強，并更換所有連接高強螺栓。

4 主鋼梁修復

4.1 提升方案

由于宴會廳位于框架結構頂部，無法利用起重機械完成主鋼梁的提升修復，現場采用8個可拆卸鋼支架進行提升，每榀主鋼梁搭設4個鋼支架(見圖2)。第1次提升①，②軸主鋼梁，第2次提升③，④軸主鋼梁，第3次提升⑤，⑥軸主鋼梁。待前2榀鋼梁加固施工完畢后，再拆除支架并移至另外2榀鋼梁拆除位置處重新安裝，重復施工。每榀主鋼梁通過安裝在鋼支架上的6根5t倒鏈(梁端各1根，拼接節點兩側各1根)、6個5t千斤頂(梁端各1個，拼接節點兩側各1個)完成提升。

圖2 鋼支架立面布置示意

4.2 支架設計

根據提升方案，需設計8個鋼支架。考慮到支架承載力及穩定性要求，支架平面尺寸取1 200mm×1 200mm，共分8層。為避免框架結構樓板直接承受支架荷載，支架底座采用井字梁進行布置，以便將支架荷載直接傳至下部框架梁上。第6層為千斤頂安裝層，位于屋架鋼梁下方，具體位置需根據下撓鋼梁現場標高進行調整。第8層為鋼支架頂層，用于懸掛倒鏈，支架平面布置如圖3所示。

圖3 鋼支架平面布置

支架底座、第6，8層水平桿件均采用型鋼HW250×250×9×14，支架立桿采用φ159×5圓管，其余水平桿件、斜撐均采用∟80×80×5。為便于支架拆卸和移動，立桿分為3段下料，采用法蘭對接。水平桿件及斜撐與立桿之間通過節點板進行螺栓連接。設計支架承受豎向荷載為100kN，不考慮風荷載和地震作用，經PKPM軟件建模分析，支架桿件截面尺寸滿足設計荷載要求。

由于宴會廳位于框架結構頂部，鋼支架僅可搭設在原框架結構頂層樓面，故需對頂層樓面承載力進行驗算，確保下部框架結構安全。分別對①，②軸主鋼梁提升，③，④軸主鋼梁提升，⑤，⑥軸主鋼梁提升工況進行校核，結果表明，混凝土框架梁、板承載力和變形均滿足GB 50010—2010(2015年版)《混凝土結構設計規范》[8]。現場施工過程中未發現下部框架梁、板混凝土開裂等現象。

5 屋蓋結構改造設計

5.1 結構設計

由于原屋蓋做法存在超載現象，且原屋蓋坡度約為3.2%，不滿足要求。因此在主鋼梁提升完成后，恢復屋蓋原有次梁，將原屋蓋改造為雙層金屬復合板屋蓋，并采用60mm×60mm×4mm鍍鋅方管支柱找坡至5%，支柱通過橫向布置120mm×60mm×4mm鍍鋅矩管梁拉結，梁上縱向布置120mm×50mm×20mm×2mm屋蓋板檁條。改造后的屋蓋結構平面如圖4所示。

圖4 改造后的屋蓋結構平面

將原屋蓋改造為雙層金屬復合板屋蓋后，為增強屋蓋系統穩定性，按照GB 50011—2010(2016年版)《建筑抗震設計規范》[9]有關要求，在屋蓋端部①，②軸及⑤，⑥軸開間主鋼梁上翼緣布置水平支撐，并在①，②軸及⑤，⑥軸開間主鋼梁下翼緣布置水平支撐；縱向設置水平系桿，并要求屋蓋端部、屋脊處系桿通長布置；為增強上、下支撐間的共同工作性能，在①，②軸及⑤，⑥軸開間屋脊處主鋼梁上、下翼緣間布置豎向支撐，各類支撐布置如圖5所示。

圖5 各類支撐布置示意

5.2 結構驗算

鑒于原框架結構設計時已考慮頂部宴會廳結構，進行整體計算分析，并預留鋼筋混凝土柱，故本次計算僅分析宴會廳結構。依據改造后的屋蓋結構布置，采用PKPM-V5.1.1版軟件建立1榀屋架結構平面模型進行計算。計算模型中，混凝土柱高取7.8m，柱腳按剛接處理；主鋼梁跨度取24.3m，主鋼梁一端與柱采用固定鉸接，另一端僅約束豎向位移，用于模擬水平滑動鉸支座。屋蓋恒荷載取0.30kN/m2，屋蓋活荷載取0.30kN/m2，雪荷載取0.30kN/m2，基本風壓取0.35kN/m2，另外考慮1.50kN/m2的設備吊掛荷載和20kN的吊燈荷載(每榀主鋼梁跨中布置1盞吊燈)。抗震設防烈度取8度，加速度取0.2g。

改造前，現場屋蓋恒荷載作用下主鋼梁內力、變形和改造后主鋼梁設計內力、變形對比結果如表1所示。由表1可知，主鋼梁變形明顯減小，改造后屋蓋結構主鋼梁最大應力比為0.58，跨中最大撓度為40.2mm，僅為計算跨度的1/617。

表1 改造前、后主鋼梁內力與變形

5.3 主鋼梁拼接節點設計

原主鋼梁拼接節點設計如圖6a，6b所示，其中端板厚度為35mm，加勁肋厚度為16mm，加勁肋外伸寬度為150mm，該形式適用于連接門式剛架結構中壓彎構件的剛架梁，本工程主鋼梁布置及做法顯然不屬于門式剛架結構。根據計算分析結果，重新設計主鋼梁拼接節點，如圖6c～6e所示。為盡可能利用原端板連接構造，在端板連接處的腹板上增設加勁肋，以增大腹板剛度；切除端板連接節點伸出上、下翼緣端板，增設上、下蓋板。為減小蓋板尺寸，蓋板與上、下翼緣采用高強螺栓和焊接混合連接。其中上、下端板厚45mm，長790mm，寬450mm。加勁肋厚16mm，外伸寬度為165mm。

圖6 主鋼梁拼接節點

改造后的拼接方式較原端板連接方式的優點是不會發生本次坍塌事故中高強螺栓表現出的“解扣子”現象。GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[10]未規定該節點設計方法，參考文獻[11]中描述了關于翼緣和腹板采用高強螺栓摩擦型連接的簡化設計方法，假設梁拼接處的彎矩完全由翼緣承擔，剪力完全由腹板承擔，由此完成拼接節點設計。

6 支座設計

改造設計后主鋼梁與柱一端選用普通固定球型鉸支座，另一端選用單向滑動球型鉸支座。根據計算分析結果，支座最大豎向反力為482kN，支座最大水平反力為71kN，最大水平位移為11.6mm。因此，支座選用參數為豎向壓力1 000kN，水平力300kN，轉角0.02rad，單向位移量為30mm，按照GB/T 32836—2016《建筑鋼結構球型支座》[12]要求選取成品支座。

7 牛腿加固

由現場檢測鑒定結果可知，牛腿未見明顯損傷，但檢測過程中發現連接牛腿柱上的外包鋼板與混凝土柱存在明顯縫隙。為確保加固質量和工程安全，對牛腿進行加固補強，做法如圖7所示。

圖7 牛腿加固

8 屋蓋結構改造效果

按照上述修復方案對發生坍塌的屋蓋進行修復，并采用相應方案進行加固施工，加固后的屋蓋結構如圖8所示。

圖8 屋蓋結構改造效果

9 結語

1)結合某6層鋼筋混凝土框架結構頂部宴會廳鋼-混凝土組合屋蓋坍塌實例，基于現場檢測鑒定和驗算分析結果，制定修復和改造設計方案。

2)由于宴會廳位于框架結構頂部，現場采用8個可拆卸鋼支架進行主鋼梁提升復位，通過支架設計和框架結構樓板驗算，確保提升安全。

3)將原屋蓋改造為雙層金屬復合板屋蓋，為保證屋蓋系統穩定性，在不同部位增設上、下水平支撐，水平系桿和豎向支撐。

4)對改造后的屋蓋結構進行驗算，結果表明，主鋼梁變形明顯減小，最大應力比為0.58，跨中最大撓度為40.2mm，僅為計算跨度的1/617。

5)根據結構驗算結果，重新設計主鋼梁拼接節點，并給出節點設計簡化方法。

6)根據結構驗算結果確定本工程支座選用參數，并對牛腿進行加固補強。

7)本工程屋蓋結構經加固處理后，至目前承載力和變形均滿足設計和規范要求，可知加固方案合理，效果良好。