大型公共建筑外包鋼加固設計及施工實踐

宓志剛 吳超杰

中建三局集團有限公司 浙江 杭州 310016

目前，我國建筑行業已經從以往的大規模新建時期逐步過渡到新建與既有建筑改造與維護更新并重的時期，特別在一些現代化城市，大量既有建筑物面臨著加固改造的問題。這一時期里，城市更新這一概念也正日益受到國家重視與推廣，在城市更新這一環節中，結構加固對于延伸建筑的安全使用壽命及功能，顯得至關重要。其中，外包鋼加固應用于梁、柱等規則截面的加固設計技術較為成熟且施工實踐經驗較為豐富，但對于一些復雜節點的設計及施工實踐較少[1-3]。本文結合某大型商業綜合體鋼結構連廊下掛節點外包鋼加固案例，就復雜下掛節點設計及施工技術進行論述和總結，為其他類似加固工程項目提供參考。

1 工程概況

1.1 工程設計概況

本工程地上結構共6層，建筑高度約30.2 m，地下共2層，建筑深度約8.9 m，該綜合體總建筑面積約80 464 m2，結構受力體系為鋼筋混凝土框架結構，其中2～5層在中庭位置設置鋼結構連廊作為兩側商業街的連通道。鋼結構連廊最大跨度為16.2 m，鋼連廊主體結構采用主次鋼梁＋組合樓板的形式，主鋼梁沿跨度方向通長布置，通過兩端鋼牛腿支座將上部荷載最終傳遞給混凝土結構。2層連廊平面見圖1。

圖1 鋼連廊位置示意

1.2 工程現場概況

1.2.1 現場施工概況

鋼結構連廊樓面組合樓板均已澆筑完成，局部牛腿位置吊頂龍骨安裝完成，部分區域防火卷簾安裝完成，牛腿位置被頂部卷簾箱遮擋。整體存在一定的拆改量。

1.2.2 牛腿開裂概況

本工程2～5層連廊區域均出現不同程度的裂縫，主要集中在大中庭連廊區域（該位置支座集中荷載普遍較大，根據設計計算，最大豎向荷載為997 kN）。

根據外觀觀察，此次下掛節點裂縫大致可分為豎向裂縫、橫向裂縫、斜向裂縫、角部爆裂、埋板與混凝土脫開5種情況，見圖2。

圖2 裂縫分類

1.3 工程加固設計方案

1.3.1 加固方案比較

目前，國內針對混凝土結構的改造加固方法主要包括外包型鋼、外粘鋼板、增加截面、置換混凝土、粘貼纖維復合材料、預應力碳纖維復合板加固、預張緊鋼絲繩網片-聚合物砂漿面層加固和繞絲加固等方法。通過對比分析各類加固方法的優缺點，本工程最終采用外包鋼加固法進行加固施工。

1.3.2 加固設計條件

原下掛節點埋板形式分為單面埋板及雙面埋板，埋板厚度25 mm，共計20根φ20 mm錨筋。原設計鋼連廊下掛節點截面尺寸為400 mm×750 mm，沿寬度方向配置3φ22 mm的吊筋，沿長邊方向配置φ14 mm@100 mm的U形筋，沿高度方向配置6φ18 mm的點筋，混凝土強度等級同梁板強度等級，均為C30。根據原設計計算，各兩廊牛腿承受豎向荷載設計值在40～812 kN之間。下掛節點如圖3所示。

圖3 下掛示意

1.3.3 外包鋼加固設計計算

經現場勘察及第三方檢測機構檢測，部分下掛節點裂縫情況較為嚴重，局部節點不考慮原構件受力，采用外包鋼加固形式，通過與原鋼牛腿進行焊接，將鋼牛腿荷載全部傳遞至邊梁完好混凝土區域。根據原結構牛腿受力情況、支座情況、節點周邊結構情況，共設計11種加固類型。加固類型分類見表1。

表1 加固類型分類

典型加固模型如圖4、圖5所示。

圖4 滑動支座區域典型加固模型

圖5 固定鉸支座區域典型加固模型

本文選取2種節點進行說明。

2類加固節點設計說明：當梁下掛節點后有懸挑梁，且為固定鉸支座邊時，先將整個梁包鋼，包鋼梁兩邊各采用3M24的對穿螺桿（采用碳鋼制成，性能等級8.8級）、4M20的錨栓（采用特殊倒錐形膠粘型錨栓，性能等級8.8級）進行加壓固定，對于有樓板使部分梁不能直接包鋼的部位，有懸挑梁一端采用鋼板對穿樓板，另一邊采用φ16 mm鋼筋對穿樓板的方式，將鋼板與鋼板、鋼板與鋼筋焊接，并在雙面側向及梁底部加勁肋板。具體節點如圖6所示。

圖6 包鋼三維示意（梁下掛節點后有懸挑梁，且為固定鉸支座邊時）

3類加固節點設計說明：當梁下掛節點后緊貼懸挑梁，且為滑動支座邊時，先將整個梁粘鋼包住，梁兩邊各采用3M24的對穿螺桿（采用碳鋼制成，性能等級8.8級）、4M20的錨栓（采用特殊倒錐形膠粘型錨栓，性能等級8.8級）進行加壓固定，對于有樓板使部分梁不能直接包鋼的部位，有懸挑梁一端采用鋼板對穿樓板，另一邊鋼板對穿原懸挑樓板的方式，將鋼板與鋼板進行焊接。在原鋼梁上部豎向加焊兩塊500 mm高豎板，橫向加焊500 mm長的蓋板，且在雙面側向及梁底部加勁肋板。具體節點如圖7所示。

圖7 包鋼三維示意（梁下掛節點后緊貼懸挑梁，且為滑動支座邊時）

由于本工程節點較多，其余節點不再贅述，需注意的是，包鋼加固節點除了承受剪力外同時還承受豎向荷載產生的彎矩，以及鋼梁與支座非正交布置產生的扭矩，應考慮彎矩、扭矩和剪力同時作用并計算其應力。經驗算，補強后節點各區域強度均達到承載力要求。

2 工程重難點

2.1 施工工期緊張，資源組織壓力大

本工程2層涉及加固節點19個，3層涉及加固節點18個，4層涉及加固節點15個，5層涉及加固節點49個，共計101個節點，整體工期30 d，工期緊張，資源設備投入大，施工組織要求高。

2.2 鋼連廊面積大，卸荷難度大

鋼連廊單層面積約400 m2，共設置23處臨時支撐，支撐需從地下2層到4層連續設置。如何保證豎向鋼管支撐豎向同軸不偏心，以及如何同時控制多個千斤頂同時卸載，不產生結構二次傷害，是本工程重難點。

2.3 加固節點種類多，節點深化要求高

本工程設計根據支座錨固形式、受力情況、界面位置等共分為11個加固節點類型，經現場實際勘察，每個節點由于主次梁交叉關系、弧形梁等影響均存在不同程度的差異，需根據現場放樣情況進行單獨深化，且放樣精度要求高。

3 施工工藝要點

3.1 臨時支撐安裝

臨時支撐安裝流程：安裝下端鋼板→安裝上端鋼板→千斤頂就位→鋼管安裝、垂直度檢查→鋼管間2道橫擋安裝→千斤頂同步加載頂緊。

按照設計圖紙要求，對需要進行支撐的部位進行定位，然后作臨時支撐加固施工，臨時支撐加固地下2 層～地上3 層采用φ2 9 9 m m×1 0 m m 或H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，地上4層采用φ299 mm×10 mm鋼支撐；鋼支撐下方設置100 t/200 t液壓千斤頂，鋼支撐與鋼支撐間采用豎向2道20a#槽鋼進行連接，以確保穩定性。

鋼支撐的安裝順序從地下2層至地上4層逐層安裝，待全部安裝完畢后，液壓千斤頂分批分次同時預加載，第1批預加載為地下2層及地下1層，第2批預加載為地上1層～4層，第1批第1次預加載完畢后開始第2批第1次預加載，以此類推。每次預加載量不超過100 kN，每個千斤頂預加載總量不超過恒載工況的90%。圖8為鋼支撐立面。

圖8 鋼支撐布置立面

分批分次同時預加載通過PLC同步升降控制系統實現，通過預先在計算機內設置鋼連廊底部各支撐的加載力指令，系統能夠自動通過力傳感器調整每個千斤頂的壓力，在鋼連廊整體卸載過程中保持24個臨時支撐點位頂升力的平衡，保證各頂升點所需的頂力值與實際提供值相符。同時，通過位移指令來控制鋼連廊卸載過程中千斤頂的行程，保證每層24個臨時支撐千斤頂頂升的同步性，是一種力和位移綜合控制的頂升方法。

3.2 外包鋼施工

外包鋼施工流程：表面處理→鋼板放樣樣板制作→鋼板加工及現場焊接→高強螺栓施工→檢驗→高壓注膠→表面防護、刷防銹漆→驗收。

3.2.1 表面處理

首先對構件缺陷部位進行針對性的修復處理。清除構件表面的破損混凝土，尤其是裂縫寬度＞3 mm的位置，并打磨至堅實基層，轉角部位應倒角（R＞20 mm）；對不平整部位進行打磨及修復處理。清除表面粉塵并清洗干凈，設置凹槽。

鋼板安裝前經打磨除銹、表面清洗處理，使得鋼板與混凝土基層之間保持合理間隙，并且安裝時焊接質量符合設計及規范要求。

3.2.2 鋼板放樣樣板制作

本工程加固節點各異，每個加固節點都需要根據現場實際構件尺寸進行放樣樣板制作：樣板采用厚度0.3 mm的薄鐵皮制作，制作過程中鋼構件的相關加工余量需要充分考慮。每一個加固節點樣板上的加工線和符號需要標記清楚，并注明編號、規格及數量，以便工人施工。

3.2.3 鋼板加工及現場焊接

為了確保構件接觸牢固、均勻和坡口焊的良好焊接品質，減少切削后鋼筋硬化的不良反應，并防止形成淬硬層，對切削后鋼材的邊緣也應該進行必要處理。鋼板的所有邊緣加工都應當滿足GB 50205—2020《鋼結構工程施工質量驗收規范》的有關規定。

加固鋼構件安裝前，應按提供的明細表核對材質、規格及外觀質量，查驗鋼構件的技術文件。所有加固鋼構件須經質量、強度等檢查，全部符合設計要求，并經驗收合格和簽字手續后，才可安裝。

鋼結構吊裝現場鋼板運輸可采用貨梯運至施工場地（2～5層樓面），再由現場人工搬運至牛腿節點處或運用1～2 t葫蘆進行吊裝，隨后進行節點施工（圖9）。

圖9 包鋼安裝實體

3.2.4 高強螺栓施工

高強螺栓孔開設完成后用鉸刀進行修孔及清孔處理，確保螺栓能輕松穿入孔內。安裝時確保穿入方向一致，同時構件摩擦面應保持潔凈。必須在24 h內完成高強螺栓的初擰和終擰。初擰緊固至螺栓準強拉力60%～80%，第2次為終擰。每組高強度螺栓的擰緊以構件中心向周邊逐步施擰，螺栓終擰完成后外露絲扣不得少于2個（圖10）。

圖10 螺栓錨桿加固實體

3.2.5 高壓注膠施工

高壓注膠前確保鋼板與混凝土結構之間的間隙內干燥無雜質。灌膠嘴布置完成后，采用高強砂漿進行封縫處理，封縫必須全封閉，確保不漏膠；膠的配比、灌的順序以及操作流程按產品說明書及規范要求嚴格執行，膠體灌注和固化期間嚴禁焊接及擾動（圖11）。

圖11 注膠管布置實體

3.2.6 鋼結構防銹防火處理

鋼構件完成后，對構件表面應按設計圖紙要求進行除銹、防護涂裝。防腐層要求：鋼板外表面均按照規范要求進行除銹處理，然后再根據設計要求分遍噴涂防銹漆。防火涂層要求：采用壓送式涂機分遍噴涂厚型防火涂料。

3.3 臨時支撐拆除

待梁下掛節點加固完成且達到設計強度后，將臨時支撐從上層至下層依次拆除。加固完成效果圖如圖13所示。

4 結語

目前該項目已經歷2年的運行期，狀況良好。在大型公共建筑下掛牛腿外包鋼加固設計與施工實踐中，針對遇到的難點，可采取如下解決措施：

1）針對加固節點復雜且多的項目，需要從成本、工期、質量等控制要求出發，通過分類設計，針對性地制定加固設計方案，從而達成加固設計處理的整體最優。

2）采用PLC同步升降控制系統，從位移和力兩方面對臨時支撐進行控制，確保不對結構造成二次傷害。

3）針對各類現場節點進行放樣樣板制作，充分應考慮相關加工余量，確保節點一次加工安裝成形。