某學校餐廳鋼結構屋面損傷分析及加固處理

高 瀑，李新泰，段世薪，趙國棟

（1.山東省建筑科學研究院有限公司，山東 濟南 250031；2.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗檢測中心有限公司，山東 濟南 250031）

0 引言

鋼結構具有輕質(zhì)高強、抗震性能好、施工速度快等特點，在結構加固與改造中廣泛應用。加固設計應考慮與實際施工方法緊密的結合，并采取有效措施，保證新增的截面、構件和部件與原結構的連接可靠有效，達到新增部件和原有結構成為整體后能夠共同工作的目的［1，2］。本文針對某學校餐廳在加固改造過程中出現(xiàn)的問題進行了全面的檢查檢測，介紹了結構損壞情況及分析結果，并提出處理建議，以期為其他工程提供參考。

1 工程概況

該學校餐廳原為一層建筑，后期餐廳改造及二層兩次加固，高 10.35 m，基礎形式采用獨立基礎，樓面板采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，屋面采用鋼梁支撐鋼桁架輕型復合板。結構安全等級為一級，設計使用年限為 30 年，抗震設防烈度為 8 度，設計基本地震加速度為 0.20g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為 Ⅲ 類，建筑抗震設防類別為重點設防類，框架抗震等級為一級，基礎設計等級為丙級。混凝土強度等級為基礎墊層為 C15，基礎、梁板梯為 C30，柱為 C35；鋼板、型鋼及鋼構件采用 Q235-B。

該學校餐廳于 2015 年 7 月進行二層接建施工，2018 年 1 月發(fā)現(xiàn)二層個別梁柱節(jié)點出現(xiàn)開裂情況，隨即進行圍箍加固處理；2018 年 7 月發(fā)現(xiàn)鋼桁架輕型復合板橫向裂縫，于是進行二次加固，施工過程中板與主梁之間出現(xiàn)縱向裂縫。

2 資料檢查

委托方提供的鋼筋檢測報告顯示，該工程采用的鋼筋，屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及彎曲性能、重量級允許偏差等所檢項目合格；提供的鋼桁架輕型復合板產(chǎn)品合格證（產(chǎn)品等級為 A 級）檢測報告顯示，所檢鋼桁架輕型復合板 9 120 mm×1 480 mm×340 mm 正常使用階段結構性能檢測項目符合規(guī)范要求；提供的檢測報告表明，所檢 11 mm 及 18 mm 厚碳素結構鋼屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及彎曲試驗符合 Q235-B 鋼材要求；所檢高強度大六角頭螺栓連接副扭矩系數(shù)合格。提供的環(huán)氧改性粘鋼結構膠檢測報告結論為所檢項目的檢測結果符合 GB 50728－2011《工程結構加固材料安全性技術鑒定技術規(guī)范》表4.2.2－1 中Ⅰ類膠 A 級的技術要求。

經(jīng)檢查，該工程的屋面做法為：4 mm 厚 SBS 高聚物改性瀝青防水卷材（自帶頁巖砂保護層）+基層處理劑一道+20 mm 厚 1∶2.5 水泥砂漿找平+最薄處 20 mm 厚 2 % 找坡層 1∶6 水泥憎水性膨脹珍珠巖（容重＜140 kg/m2）+鋼桁架輕型復合板。

3 現(xiàn)場調(diào)查

3.1 結構布置及構件尺寸

餐廳改造（二層部分）屋面采用鋼梁支撐鋼桁架輕型復合板，鋼梁與混凝土柱通過端板+螺栓連接，部分鋼梁底設置圍箍鋼板+牛腿，符合加固設計要求。東西向柱距為 9.0 m×4，南北向柱距為 9.0 m×2，符合設計要求；H～M/17～19 軸間布置南北向鋼主梁中點設置一道東西向鋼次梁，其余軸間東西向鋼次梁尚未施工，18～19/H～P 軸間設置屋面水平支撐，十字型交叉型布置，目前部分系桿因次梁施工已拆除，次梁與主梁交接處錨栓數(shù)量多于原設計；柱間支撐呈十字型交叉型，設置在 17/M～P、22/M～P、H/18～19 及 P/18～19軸間；主梁尺寸為 HM488×300×11×18，次梁尺寸為 HM440×300×11×18，系桿尺寸采用 φ20 mm 圓鋼，柱間支撐采用 φ79×2.0 圓鋼，混凝土柱截面尺寸為 600 mm×600 mm，均符合設計要求。屋面采用鋼桁架輕型復合板，板長 9.05 m，沿南北向布置，通過東西向鋼梁支撐，軸間布置各 6 塊，符合設計要求。

3.2 連接構造

該工程二層鋼主梁與混凝土柱頂預埋鋼板外伸端板通過 3M20 高強螺栓連接，梁柱節(jié)點在梁底標高處設置鋼板圍箍+牛腿，鋼板通過數(shù)量不等的 M16 螺栓錨固于柱混凝土中；在梁頂處通過鋼板圍箍與預埋板焊接連接，鋼板通過數(shù)量不等的 M16 螺栓錨固于柱混凝土中；東西向鋼次梁通過 6M20 螺栓連接。除個別位置外，梁柱節(jié)點符合第一次加固方案，典型節(jié)點連接形式如圖1 所示。

圖1 典型節(jié)點連接形式

3.3 鋼材抗拉強度

依據(jù) GB/T 50344－2019《建筑結構檢測技術標準》，采用里氏硬度計，現(xiàn)場隨機抽取部分鋼構件對其硬度進行檢測，并換算成鋼材抗拉強度［3］。經(jīng)檢測，所檢構件抗拉強度換算值均達到鋼材牌號 Q235 抗拉強度的要求。檢測結果如表1 所示。

3.4 構件變形

現(xiàn)場對鋼梁及屋面板的變形情況（含施工誤差）進行檢查檢測，經(jīng)檢測，該工程鋼梁撓度、屋面板撓度滿足 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鑒定標準》要求［4］，檢測結果如圖2、圖3 所示。

圖2 鋼梁變形檢測結果（單位 mm，向上為正）

圖3 屋面板變形檢測結果（單位 mm，向上為正）

3.5 化學錨栓錨固抗拔承載力

依據(jù) JGJ 145－2013《混凝土結構后錨固技術規(guī)程》及委托方提供的化學錨栓基本設計參數(shù)（取 39.20 kN）檢測，現(xiàn)場所檢化學錨栓錨固抗拔承載力及檢測完畢后狀態(tài)均滿足設計要求［5］。具體檢測結果如表2 所示。

表2 化學錨栓錨固抗拔承載力檢測結果

3.6 現(xiàn)場施工質(zhì)量

經(jīng)現(xiàn)場檢查檢測，二層加固部分存在以下問題。①現(xiàn)場隨機選取部分柱頂，鑿開頂部，發(fā)現(xiàn)存在放置磚塊及雜物現(xiàn)象；②個別鋼主梁端部存在螺栓孔擴孔、梁腹板與端板之間存在空隙、螺栓孔中心至構件邊緣距離不滿足規(guī)范要求；③現(xiàn)場對該工程梁柱節(jié)點處的鋼板圍箍焊接焊縫外觀質(zhì)量進行了隨機抽查檢測，部分焊縫不飽滿，個別鋼板之間未采用坡口焊；④個別鋼梁底與牛腿頂板有空隙；⑤個別錨栓無螺帽；⑥18～19/H～P 軸間屋面支撐個別已拆除；⑦個別牛腿與梁中心線未對齊；⑧部分鋼板圍箍與柱頂混凝土之間有空隙。典型部位外觀如圖4 所示。

圖4 梁柱節(jié)點與屋面板典型部位現(xiàn)狀圖

3.7 結構驗算

根據(jù)委托方提供的設計圖紙、相關資料及現(xiàn)場檢查檢測結果，對二層加固部分鋼梁及梁柱節(jié)點連接進行承載力復核驗算。

1）荷載取值。按委托方提供的設計圖紙，恒荷載按設計圖紙對應 GB 50009－2012《建筑結構荷載規(guī)范》中的規(guī)定取值［6］。活荷載標準值：餐廳、備餐間按2.50 kN/m2，樓梯間按 3.50 kN/m2，不上人屋面按0.50 kN/m2，其他按 2.00 kN/m2，基本風壓按 0.45 kN/m2，基本雪壓按 0.35 kN/m2。

2）驗算條件。驗算時抗震設防烈度為 8 度，設計基本地震加速度為 0.20g，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為 Ⅲ 類，建筑抗震設防類別為重點設防類，框架抗震等級為一級，基礎設計等級為丙級。結構布置、混凝土強度、鋼筋強度、鋼材強度、構件尺寸均按設計取值，梁截面尺寸按實測值，化學錨栓基本設計參數(shù)按委托方提供的資料，梁柱節(jié)點按原設計并結合現(xiàn)場檢查檢測結果，采用盈建科建筑結構計算軟件，輸入計算機，由計算機形成該工程的結構模型進行驗算。

3）驗算結果。餐廳改造（二層部分）設計時，二層加固鋼梁抗彎、抗剪承載力滿足規(guī)范要求，撓度滿足規(guī)范限值要求，梁腹板與端板螺栓連接個數(shù)滿足設計及規(guī)范要求。

第一次加固后，鋼梁抗彎、抗剪承載力滿足規(guī)范要求，撓度滿足規(guī)范限值要求，梁腹板與端板螺栓連接個數(shù)滿足設計及規(guī)范要求。梁柱節(jié)點化學錨栓承載力滿足設計及規(guī)范要求。

4 鑒定分析

1）現(xiàn)場所檢化學錨栓錨固抗拔承載力均滿足設計及規(guī)范要求，所檢鋼構件抗拉強度換算值均達到鋼材牌號 Q235 抗拉強度要求，該工程二層鋼梁、屋面板撓度滿足 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鑒定標準》要求。

對委托方提供的設計圖紙進行復核：餐廳改造圖紙中鋼梁與混凝土柱預埋錨筋構造及典型節(jié)點，原設計為柱頂錨板采用對拉螺桿連接，實際施工為柱頂錨板采用 M16×125 特殊倒錐形化學錨栓連接，兩處的詳細構造不一致且無設計變更；施工單位更改錨固方式施工，設計單位無確認。餐廳改造設計及第一次加固后，鋼梁抗彎、抗剪承載力滿足規(guī)范要求，撓度滿足規(guī)范限值要求，梁腹板與端板螺栓連接個數(shù)滿足規(guī)范要求。

2）該工程現(xiàn)場施工存在以下問題：個別柱頂放置磚塊及雜物，部分鋼主梁端部存在螺栓孔擴孔、梁腹板與端板之間存在空隙、螺栓孔中心至構件邊緣距離不滿足規(guī)范要求等；梁柱節(jié)點處鋼板圍箍部分焊縫不飽滿、未焊透，部分鋼板之間未采用坡口焊等，個別圍箍板尺寸與設計不符；個別鋼梁底與牛腿頂板有空隙；個別錨栓無螺帽；個別牛腿與梁中心線未對齊；部分鋼板圍箍與柱頂之間有空隙，以上均不符合加固設計及規(guī)范要求，應進行處理。

3）二層鋼桁架輕型復合板之間、副桁架弦桿與填充材料之間、鋼桁架輕型復合板與主鋼梁之間存在開裂現(xiàn)象，上述裂縫均非板自身的受力裂縫，不影響鋼桁架輕型復合板的安全使用。

4）鑒于施工存在上述問題，二層鋼梁及梁柱節(jié)點存在安全隱患，應進行處理。應對上述鋼梁及梁柱節(jié)點進行處理，處理完畢并經(jīng)驗收合格后可安全使用。

5 處理措施

綜合委托方提供的設計圖紙、加固方案、部分施工資料及驗算結果，對二層需要處理的梁柱節(jié)點及二層鋼梁提出以下處理建議：需要注意的是鋼結構的缺陷和損傷的修復，應卸除或部分卸除作用于結構上的活荷載，避免產(chǎn)生不利的附加應力，并采取可靠的安全措施［7］。

5.1 二層需要處理的節(jié)點建議

1）放置磚塊及雜物的柱頂，清理干凈雜物后采用水泥基灌漿料進行填充處理。

2）對鋼主梁梁腹板與端板之間存在空隙、螺栓孔中心至構件邊緣距離不滿足規(guī)范要求，梁柱節(jié)點處鋼板圍箍部分焊縫不飽滿、未焊透，個別圍箍板尺寸與設計不符，部分鋼板之間未采用坡口焊的部位，應按設計及規(guī)范要求進行恢復處理。

3）對螺栓孔或錨栓孔擴孔的部位，在擴孔處進行補焊處理；錨栓無螺帽、螺桿偏長部位，螺帽與鋼板、螺桿之間均焊接，焊接時采取降溫措施。

4）鋼梁底與牛腿頂板有空隙的部位，塞填鋼板并與鋼梁、牛腿頂板固定焊接。

5）牛腿與梁中心線未對齊的部位，在牛腿處增設三角形端板，使修復后的牛腿端板與梁中心線對齊，如圖5 所示。

圖5 牛腿與梁中心線未對齊的部位處理建議（單位：mm）

6）鋼板圍箍與柱頂混凝土之間有空隙的部位，采用壓力注入建筑結構膠進行處理。

5.2 二層南北向鋼梁加固建議

二層 18/H～M、19/H～M、20/H～M、18/M～P、19/M～P 及 20/M～P 鋼梁，通過焊接連接使鋼板帶與屋面主桁架角鋼、主鋼梁之間形成一個整體。上述主梁與東西向次梁交接處南北向各 1.625 m 范圍內(nèi)焊接 5 mm厚 200 mm 寬鋼板，焊縫長度 250 mm@250 mm，焊腳尺寸為 5 mm，鋼板采用 Q235B；主次梁交接處南北兩側均對稱增設 2 對加勁肋。加固位置如圖6、圖7 所示。

圖6 鋼板帶加固位置示意圖（單位：mm）

圖7 鋼板帶加固示意圖（單位：mm）

5.3 屋面板裂縫處理

該餐廳二層鋼桁架輕型復合板之間、副桁架弦桿與填充材料之間、鋼桁架輕型復合板與主鋼梁之間存在開裂現(xiàn)象，上述裂縫建議采用經(jīng)安全性鑒定合格的Ⅰ級聚合物砂漿處理。基本性能和長期使用性能標準應符合相關規(guī)范、規(guī)定的要求［8，9］。

6 結語

本文針對某學校餐廳在加固改造過程中出現(xiàn)的問題進行了全面的分析，介紹了結構損壞情況及分析結果，并提出加固處理建議，得到如下結論。

1）節(jié)點設計應滿足承載力極限狀態(tài)要求，防止節(jié)點因強度破壞、局部失穩(wěn)、變相過大、連接開裂等引起節(jié)點失效；節(jié)點的安全性主要決定于其強度與剛度，應防止焊縫與螺栓等連接部位開裂引起節(jié)點失效，或節(jié)點變形過大造成節(jié)點內(nèi)力重分配［10］。加固改造中新增的截面、構件和部件與原結構的連接施工質(zhì)量是影響新增部件和原有結構成為整體的重要因素，加固設計應重點做好構件和節(jié)點設計，考慮與實際施工方法緊密地結合并采取有效措施，以保證結構的安全。

2）施工過程中應加強施工組織設計，嚴格監(jiān)督監(jiān)理施工安裝過程，確保施工過程中及使用階段能形成穩(wěn)定的空間體系，滿足工程的實際使用。