農村院落鋼結構擴建的安全隱患整治★

楊 康

(山西省建筑科學研究院集團有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

農村房屋一般都自帶院落,隨著農村生活條件的改善,人們追求舒適的生活空間,或者因經營需要,通常會在院落上方依托現有房屋承重墻及院落圍墻搭建屋蓋進行擴建。而鋼結構因強度高、相對重量輕、施工方便、建設周期快等特點,經常會被采用,但因經濟原因及技術水平的限制,相關的結構措施往往做不到位,極易產生一些安全隱患。本文以山西省中部某縣三個典型農村院落鋼結構擴建案例來研究探討此種問題的常見安全隱患整治。

1 山西省中部某縣三個典型農村院落鋼結構擴建案例

在山西省中部某縣進行農村危房檢測時發現,縣城周邊村莊里經濟條件較好的農戶均在院落里擴建了鋼結構屋蓋,根據現場結構布置情況,推測其建造時采用的結構思路主要分為方鋼焊接的整體受力的網格型鋼架、若干榀桁架構成的排架受力體系、簡易鋼框架這三種情況[1]。下面分別以三戶實際案例為代表簡述這三種擴建形式的結構特點及常見問題。

1.1 方鋼焊接的整體受力的網格型鋼架

蘇某院落東西北三側均為磚混現澆板房屋(見圖1),房主借用原三面建筑及南側新增豎向方鋼“框架”以及屋頂的水平方鋼“框架”完成擴建意圖,該“框架”為6×10的網格,縱橫向網格間距均為1.5 m,“框架”采用80×3的方鋼焊接而成。由圖2可見因跨度較大,院內增設兩根100×3方鋼柱減少屋蓋跨度。

該擴建院落主要存在以下特點:1)結構整體性差,因水平鋼框三側分別支撐于不同建筑的屋蓋,且支座處采用錨栓分別固定于不同的屋頂,未采取措施釋放水平位移,該擴建屋蓋極易在水平外力的作用下或三個建筑及新增豎向鋼框間的不均勻沉降或變形影響下產生變形損傷。2)方鋼框架整體焊接成一個剛性平面,在跨中增設兩個支撐點后,在自重作用下水平框架的承載力基本滿足要求,但是考慮雪荷載后則鋼框構件的應力比和撓度均不滿足規范要求,見圖3。且鋼框支座處連接節點粗糙,僅采用2個M12膨脹螺絲固定于屋頂建筑面層中,節點牢固性差,見圖4。3)兩根豎向支撐鋼柱柱腳連接隨意,僅采用2個M12膨脹螺絲簡單固定于地面,柱頂與鋼框焊接連接,柱子整體穩固性差,見圖5。

1.2 若干榀桁架構成的排架受力體系

陳某院落正房為2層磚混結構,東西房為單層磚混結構房屋,現在院落上方東西向布置5榀桁架搭設彩鋼板屋蓋完成擴建。具體情況見圖6,圖7。

該擴建房屋主要存在以下問題:1)豎向構件布置隨意,部分柱支撐于原東西房屋頂,部分支撐于1層地面,部分支撐于院落圍墻上方且均未在柱腳有效錨固;極易因其下支承構件的變形位移等產生安全隱患。2)構造措施缺失,易產生平面外失穩,縱向傳力路徑不明確。東西向采用桁架結構作為主要受力構件,鋼桁架上下弦桿件和腹桿桿件均采用80×5的方鋼,沒有分清主次,桁架上下弦均未設置水平支撐,柱間沒有柱間支撐,整體構造措施缺失,未形成受力體系。3)中間立柱與桁架中間節點不對齊,柱直接支撐于節點間下弦桿上,三角形桁架支座處節點焊接隨意,僅點焊連接見圖8,圖9。

1.3 鋼框架結構擴建

湯某院落正房為2層磚混結構,在房屋南側院落建造2層鋼框架結構房屋,鋼筋混凝土壓型鋼板組合樓屋蓋。該結構南北向采用單跨框架,東西向共6跨,在兩端設置柱間鋼管交叉支撐。框架柱截面尺寸為HW250×250×9×14,南北向框架梁為HN500×200×10×16,東西向框架梁為HM298×201×9×14,交叉支撐為D114×3.0,具體情況見圖10,圖11。

該擴建房屋主要存在以下問題:1)兩層單跨鋼框架結構,但柱腳僅設置4個M24錨栓,且節點構造形式為鉸接,梁柱節點采用類似門式剛架節點的栓接形式,但螺栓較少,節點板連接不緊密,加勁板缺失,節點構造類似半剛接,故整體結構在橫向不穩固,縱向采用鋼支撐補強剛度,受力較橫向好,但鋼支撐截面較小,長細比不滿足規范要求。2)按以上計算假定對其進行建模計算,則該建筑整體剛度不足,側向變形超限,建筑在風荷載作用下Y向最大層間位移角為1/61,見表1,圖12。且按鉸接計算的梁柱截面不滿足承載力要求,見圖13。

2 針對以上三種擴建形式的加固整治措施

綜合上述三種擴建案例的特點,它們存在以下共性問題:1)受經濟及技術條件的限制,擴建方案隨意,結構體系不完善,傳力路徑不明確。2)支撐、支座等方面構造措施缺失,無法保證構件的平面外穩定、局部穩定、結構的整體穩定等。3)節點焊接質量差、施工控制措施差,導致初始變形、尺寸誤差較大,結構及構件附加彎矩等較大。4)構件截面尺寸整體偏小,滿足臨時支撐尚可,但結構長期使用可靠性不足,在外力作用及自身缺陷影響下容易產生安全問題。針對以上問題,根據檢測報告提供的數據參數對上述三個擴建院落分別進行了安全隱患整治,整治方案簡述如下:

蘇某方鋼焊接的整體受力的網格型鋼架院落整治措施:1)增加豎向鋼柱+桁架的承重體系,與原結構脫開,但可將原結構作為釋放變形后的側向支撐點以減小鋼柱截面尺寸。2)新增鋼柱要有可靠的基礎,新增桁架要有可靠的支撐體系。3)做好新增結構與原鋼框的連接,保證傳力直接可靠[2-4]。

陳某若干榀桁架構成的排架受力體系院落整治措施:1)原生根于屋頂的鋼柱,均采用生根于地面的鋼柱替換,原桁架依然是設有四個鋼柱支撐的三跨三角形桁架,對改變支座位置后導致應力比超限的桿件采用增大截面法加固,加固要考慮保證桁架對稱。2)對節點處存在缺陷的焊縫進行補焊或其他補強措施。3)增設桁架支撐體系及柱間系桿及支撐。

湯某鋼框架結構擴建院落的整治措施:1)對橫向框架節點進行改造,考慮結構為兩層,采用現澆板,節點處加固措施難以實現,在對具備條件的原節點進行補焊的同時,輔以與梁柱均鉸接的三角撐來增加結構整體的橫向剛度(見圖14);新增鋼支撐選用L100×8的雙角鋼,增加支撐后梁、柱及支撐構件的應力比簡圖(見圖15)。2)對原結構長細比超限的柱間支撐進行更換;原結構采用D114×3.0的高頻焊接圓鋼管,采用D180×4.0的圓鋼管對其進行置換。3)對2層上砌紅磚墻的次梁采用增大截面法進行加固。原截面為HN200×100×6×8,擬在梁底增加50 mm×50 mm×8 mm×8 mm的T形截面,計算后應力比滿足要求(見圖16)。

3 鋼結構擴建院落整治過程的重點及注意事項

1)整治過程中鑒定的重要性。所有存在安全隱患的農村房屋的整治均應在檢測鑒定的基礎上進行,根據檢測數據及鑒定結論采取相應的加固措施。對于低層的砌體結構房屋,承載力可能不是加固時的關注點,更多注重的是結構的整體性加固和構造措施的補全。但對于本文中講述的采用鋼結構進行院落擴建時,業主的主要出發點是鋼結構的截面小,強度大,可以實現更大的跨度,所以鋼結構院落的整治,不僅是構造措施的補全,結構及其連接的承載力驗算也是很重要的一部分。而農村房屋往往未經設計,或經鋼結構公司簡易設計,不能提供相關施工圖紙。這就要求在檢測過程中精確的測量構件截面尺寸,同時繪制節點連接構造,以便加固設計時能夠精準地判斷隱患根源,采取最直接經濟的整治措施,保證整治的經濟性。

2)對于農村房屋的整治,在保證安全的前提下,經濟性是首先要考慮的。大部分安全隱患是在缺乏技術支持的情況下,為了經濟性而導致的。也正因為如此,如果加固的經濟性很差,加固費用比新建還貴時,就會導致整治工作無法推進。所以給出加固措施時,可以適當放棄美觀性/空間性等需求,優先保證在經濟的情況下實現結構的安全。

3)整治過程中要盡量利用原有結構,借助原有結構解決豎向構件的穩定性問題,從而減少加固成本。但要保證結構承載的獨立性,不能給原結構帶來安全隱患。比如可以將新增鋼柱平面外與原磚墻或混凝土柱可靠連接,減少平面外長細比從而提高柱的承載力。

4)整治過程中要解決鋼結構的耐久性和防火問題。很多鋼構可能只有出廠時的底漆,現場安裝加工或焊接后未再次進行防腐處理。而這些恰恰都是結構的關鍵部位,應該對防腐涂層進行修補,保證其耐久性。大部分農村鋼結構房屋都沒有進行防火處理,也是我們整治的一個關鍵點。

4 結語

農村院落作為生活休閑甚至經營的重要場所,在空間性、采光性能等方面對結構有其特殊的要求,但因技術水平及經濟條件的限制,在達到以上性能的同時卻往往造成安全性的損害。因此對農村房屋的安全隱患整治中要特別重視院落的同步整治,不能因為是非居住空間而忽視。