農(nóng)村院落鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)建的安全隱患整治★

楊 康

(山西省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

農(nóng)村房屋一般都自帶院落,隨著農(nóng)村生活條件的改善,人們追求舒適的生活空間,或者因經(jīng)營需要,通常會在院落上方依托現(xiàn)有房屋承重墻及院落圍墻搭建屋蓋進(jìn)行擴(kuò)建。而鋼結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度高、相對重量輕、施工方便、建設(shè)周期快等特點(diǎn),經(jīng)常會被采用,但因經(jīng)濟(jì)原因及技術(shù)水平的限制,相關(guān)的結(jié)構(gòu)措施往往做不到位,極易產(chǎn)生一些安全隱患。本文以山西省中部某縣三個典型農(nóng)村院落鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)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(nóng)村院落鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)建案例

在山西省中部某縣進(jìn)行農(nóng)村危房檢測時發(fā)現(xiàn),縣城周邊村莊里經(jīng)濟(jì)條件較好的農(nóng)戶均在院落里擴(kuò)建了鋼結(jié)構(gòu)屋蓋,根據(jù)現(xiàn)場結(jié)構(gòu)布置情況,推測其建造時采用的結(jié)構(gòu)思路主要分為方鋼焊接的整體受力的網(wǎng)格型鋼架、若干榀桁架構(gòu)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(kuò)建形式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及常見問題。

1.1 方鋼焊接的整體受力的網(wǎng)格型鋼架

蘇某院落東西北三側(cè)均為磚混現(xiàn)澆板房屋(見圖1),房主借用原三面建筑及南側(cè)新增豎向方鋼“框架”以及屋頂?shù)乃椒戒摗翱蚣堋蓖瓿蓴U(kuò)建意圖,該“框架”為6×10的網(wǎng)格,縱橫向網(wǎng)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(nèi)增設(shè)兩根100×3方鋼柱減少屋蓋跨度。

該擴(kuò)建院落主要存在以下特點(diǎn):1)結(jié)構(gòu)整體性差,因水平鋼框三側(cè)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(kuò)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(chǎn)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(shè)兩個支撐點(diǎn)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(gòu)件的應(yīng)力比和撓度均不滿足規(guī)范要求,見圖3。且鋼框支座處連接節(jié)點(diǎn)粗糙,僅采用2個M12膨脹螺絲固定于屋頂建筑面層中,節(jié)點(diǎn)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(wěn)固性差,見圖5。

1.2 若干榀桁架構(gòu)成的排架受力體系

陳某院落正房為2層磚混結(jié)構(gòu),東西房為單層磚混結(jié)構(gòu)房屋,現(xiàn)在院落上方東西向布置5榀桁架搭設(shè)彩鋼板屋蓋完成擴(kuò)建。具體情況見圖6,圖7。

該擴(kuò)建房屋主要存在以下問題:1)豎向構(gòu)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(gòu)件的變形位移等產(chǎn)生安全隱患。2)構(gòu)造措施缺失,易產(chǎn)生平面外失穩(wěn),縱向傳力路徑不明確。東西向采用桁架結(jié)構(gòu)作為主要受力構(gòu)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(shè)置水平支撐,柱間沒有柱間支撐,整體構(gòu)造措施缺失,未形成受力體系。3)中間立柱與桁架中間節(jié)點(diǎn)不對齊,柱直接支撐于節(jié)點(diǎn)間下弦桿上,三角形桁架支座處節(jié)點(diǎn)焊接隨意,僅點(diǎn)焊連接見圖8,圖9。

1.3 鋼框架結(jié)構(gòu)擴(kuò)建

湯某院落正房為2層磚混結(jié)構(gòu),在房屋南側(cè)院落建造2層鋼框架結(jié)構(gòu)房屋,鋼筋混凝土壓型鋼板組合樓屋蓋。該結(jié)構(gòu)南北向采用單跨框架,東西向共6跨,在兩端設(shè)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(kuò)建房屋主要存在以下問題:1)兩層單跨鋼框架結(jié)構(gòu),但柱腳僅設(shè)置4個M24錨栓,且節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式為鉸接,梁柱節(jié)點(diǎn)采用類似門式剛架節(jié)點(diǎn)的栓接形式,但螺栓較少,節(jié)點(diǎn)板連接不緊密,加勁板缺失,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造類似半剛接,故整體結(jié)構(gòu)在橫向不穩(wěn)固,縱向采用鋼支撐補(bǔ)強(qiáng)剛度,受力較橫向好,但鋼支撐截面較小,長細(xì)比不滿足規(guī)范要求。2)按以上計算假定對其進(jìn)行建模計算,則該建筑整體剛度不足,側(cè)向變形超限,建筑在風(fēng)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(kuò)建形式的加固整治措施

綜合上述三種擴(kuò)建案例的特點(diǎn),它們存在以下共性問題:1)受經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件的限制,擴(kuò)建方案隨意,結(jié)構(gòu)體系不完善,傳力路徑不明確。2)支撐、支座等方面構(gòu)造措施缺失,無法保證構(gòu)件的平面外穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定等。3)節(jié)點(diǎn)焊接質(zhì)量差、施工控制措施差,導(dǎo)致初始變形、尺寸誤差較大,結(jié)構(gòu)及構(gòu)件附加彎矩等較大。4)構(gòu)件截面尺寸整體偏小,滿足臨時支撐尚可,但結(jié)構(gòu)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(chǎn)生安全問題。針對以上問題,根據(jù)檢測報告提供的數(shù)據(jù)參數(shù)對上述三個擴(kuò)建院落分別進(jìn)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(wǎng)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(jié)構(gòu)脫開,但可將原結(jié)構(gòu)作為釋放變形后的側(cè)向支撐點(diǎn)以減小鋼柱截面尺寸。2)新增鋼柱要有可靠的基礎(chǔ),新增桁架要有可靠的支撐體系。3)做好新增結(jié)構(gòu)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(gòu)成的排架受力體系院落整治措施:1)原生根于屋頂?shù)匿撝?均采用生根于地面的鋼柱替換,原桁架依然是設(shè)有四個鋼柱支撐的三跨三角形桁架,對改變支座位置后導(dǎo)致應(yīng)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(jié)點(diǎn)處存在缺陷的焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊或其他補(bǔ)強(qiáng)措施。3)增設(shè)桁架支撐體系及柱間系桿及支撐。

湯某鋼框架結(jié)構(gòu)擴(kuò)建院落的整治措施:1)對橫向框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改造,考慮結(jié)構(gòu)為兩層,采用現(xiàn)澆板,節(jié)點(diǎn)處加固措施難以實現(xiàn),在對具備條件的原節(jié)點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)焊的同時,輔以與梁柱均鉸接的三角撐來增加結(jié)構(gòu)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(gòu)件的應(yīng)力比簡圖(見圖15)。2)對原結(jié)構(gòu)長細(xì)比超限的柱間支撐進(jìn)行更換;原結(jié)構(gòu)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(jìn)行置換。3)對2層上砌紅磚墻的次梁采用增大截面法進(jìn)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(yīng)力比滿足要求(見圖16)。

3 鋼結(jié)構(gòu)擴(kuò)建院落整治過程的重點(diǎn)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(nóng)村房屋的整治均應(yīng)在檢測鑒定的基礎(chǔ)上進(jìn)行,根據(jù)檢測數(shù)據(jù)及鑒定結(jié)論采取相應(yīng)的加固措施。對于低層的砌體結(jié)構(gòu)房屋,承載力可能不是加固時的關(guān)注點(diǎn),更多注重的是結(jié)構(gòu)的整體性加固和構(gòu)造措施的補(bǔ)全。但對于本文中講述的采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行院落擴(kuò)建時,業(yè)主的主要出發(fā)點(diǎn)是鋼結(jié)構(gòu)的截面小,強(qiáng)度大,可以實現(xiàn)更大的跨度,所以鋼結(jié)構(gòu)院落的整治,不僅是構(gòu)造措施的補(bǔ)全,結(jié)構(gòu)及其連接的承載力驗算也是很重要的一部分。而農(nóng)村房屋往往未經(jīng)設(shè)計,或經(jīng)鋼結(jié)構(gòu)公司簡易設(shè)計,不能提供相關(guān)施工圖紙。這就要求在檢測過程中精確的測量構(gòu)件截面尺寸,同時繪制節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造,以便加固設(shè)計時能夠精準(zhǔn)地判斷隱患根源,采取最直接經(jīng)濟(jì)的整治措施,保證整治的經(jīng)濟(jì)性。

2)對于農(nóng)村房屋的整治,在保證安全的前提下,經(jīng)濟(jì)性是首先要考慮的。大部分安全隱患是在缺乏技術(shù)支持的情況下,為了經(jīng)濟(jì)性而導(dǎo)致的。也正因為如此,如果加固的經(jīng)濟(jì)性很差,加固費(fèi)用比新建還貴時,就會導(dǎo)致整治工作無法推進(jìn)。所以給出加固措施時,可以適當(dāng)放棄美觀性/空間性等需求,優(yōu)先保證在經(jīng)濟(jì)的情況下實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全。

3)整治過程中要盡量利用原有結(jié)構(gòu),借助原有結(jié)構(gòu)解決豎向構(gòu)件的穩(wěn)定性問題,從而減少加固成本。但要保證結(jié)構(gòu)承載的獨(dú)立性,不能給原結(jié)構(gòu)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(xì)比從而提高柱的承載力。

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

4 結(jié)語

農(nóng)村院落作為生活休閑甚至經(jīng)營的重要場所,在空間性、采光性能等方面對結(jié)構(gòu)有其特殊的要求,但因技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)條件的限制,在達(dá)到以上性能的同時卻往往造成安全性的損害。因此對農(nóng)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。