廖曉坤
(安徽省建設(shè)監(jiān)理有限公司,安徽 合肥 230022)
近年來,鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高、質(zhì)量小等優(yōu)點(diǎn)在各類建筑結(jié)構(gòu)中得以廣泛應(yīng)用,但是在實(shí)際工程中或因材料本身的老化銹蝕,或因施工不規(guī)范,或因其它的一些因素引發(fā)了一系列的質(zhì)量問題和安全問題[1]。有些工程由于某些因素?zé)o法拆除重建,就需要采取措施進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng),以達(dá)到必要的安全性和功能性需要。在結(jié)構(gòu)的加固施工過程中為了提高施工的安全性和保障加固措施的可靠度,就需要對(duì)被加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的施工控制與監(jiān)測(cè)。本文以某一實(shí)際工程為例,研究施工控制與監(jiān)測(cè)技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用。
目標(biāo)工程為改建工程,位于安徽省合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),原為室外網(wǎng)球場(chǎng),計(jì)劃改建為能提供800人就餐的單層宴會(huì)廳,地下部分基本保持不變,擬改建建筑按功能分區(qū)可以劃分為宴會(huì)廳、廚房和休息區(qū),其建筑南北方向長(zhǎng)63.8 m,東西方向長(zhǎng)47.9 m,建筑總面積為4407.1 m2,高10.5 m。
該工程的主要部分是宴會(huì)廳,該區(qū)的結(jié)構(gòu)形式為門式剛架結(jié)構(gòu),其豎向承重構(gòu)件為鋼筋混凝土柱,屋頂采用鋼結(jié)構(gòu)桁架屋蓋,屋蓋的尺寸為長(zhǎng)47.1 m,寬32.0 m,主要由5榀主桁架和11榀次桁架組成,屋蓋三維圖及主桁架示意圖如圖1與圖2所示。屋蓋主桁架的截面為H型鋼,由于其尺寸較大,為方便運(yùn)輸采用分三段制作,在施工現(xiàn)場(chǎng)焊接后吊裝就位的方案(如圖3所示)。
在某次施工中期檢查過程中,檢查單位發(fā)現(xiàn)鋼屋蓋個(gè)別構(gòu)件變形超過規(guī)定的限值,經(jīng)過檢測(cè)單位檢測(cè)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題,建議停工整修。
通過對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的外觀質(zhì)量檢查、焊縫超聲波無損探傷檢測(cè)結(jié)果和對(duì)高強(qiáng)螺栓終擰扭矩檢測(cè)等一系列檢測(cè),主要發(fā)現(xiàn)存在螺栓施工不合規(guī)范、焊縫錯(cuò)位、漏焊、螺紋鋼筋塞縫,且焊縫外觀質(zhì)量、焊縫尺寸不符規(guī)范要求、抽檢螺栓均不滿足10.9 S級(jí)高強(qiáng)螺栓施工扭矩要求等一系列質(zhì)量問題,如圖4所示。
圖1 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維圖
圖2 屋蓋主桁架示意圖
圖3 屋蓋主桁架拼接圖
圖4 屋架鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的施工質(zhì)量問題
另外,屋蓋的主桁架有超過50%的節(jié)點(diǎn)存在質(zhì)量缺陷,而且大部分缺陷將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生不利影響,為保證結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用要求,必須進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。
利用MIDAS/Gen對(duì)該工程進(jìn)行模擬分析,并制定了一系列加固方案。首先對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的螺栓根據(jù)規(guī)范要求重新施工,然后將不合格的焊縫熔掉,重新焊接、在工字鋼梁上下翼緣外側(cè)對(duì)稱貼焊鋼板,最后再將兩塊鋼板垂直上下翼緣面焊接在工字形截面梁的翼緣上,(如圖5所示)使此處梁的截面形式變?yōu)橄湫徒孛?。[2]
圖5 焊接缺陷鋼構(gòu)件的加固方案
該加固過程是在結(jié)構(gòu)負(fù)載下進(jìn)行的,為保證整個(gè)加固施工過程的安全,在施工之前需要制定專項(xiàng)施工方案對(duì)加固施工過程進(jìn)行控制。其主要過程為:首先采用臨時(shí)支撐對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不完全卸載,以降低缺陷節(jié)點(diǎn)的初始應(yīng)力;然后按照設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固施工;最后在加固完成后對(duì)結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐進(jìn)行有序卸載。[3]
采用臨時(shí)支撐對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行不完全卸載,利用千斤頂、支撐架等臨時(shí)措施對(duì)結(jié)構(gòu)施加額外支撐,以減小結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力,如圖6所示。該屋蓋結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行臨時(shí)支撐的是5榀主桁架,其軸線號(hào)分別是4-8/C、4-8/D、4-8/F、4-8/H、4-8/K五條軸線。經(jīng)過驗(yàn)算,每榀主桁架需要設(shè)置兩個(gè)臨時(shí)支撐,每個(gè)臨時(shí)支撐需要對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)施加30 kN的額外支撐力,并通過力與位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系找出需要控制的千斤頂上升高度。
根據(jù)相關(guān)研究表明,結(jié)構(gòu)的初始幾何缺陷與初始荷載將會(huì)對(duì)壓彎構(gòu)件的承載能力產(chǎn)生影響,其影響程度與結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力的大小有關(guān),當(dāng)初始應(yīng)力較小時(shí)可以忽略不計(jì),但是當(dāng)初始應(yīng)力較大時(shí)將會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[4-5],因此,降低拼接節(jié)點(diǎn)處的初始應(yīng)力,對(duì)本工程加固意義較大。通過千斤頂預(yù)加載前后,現(xiàn)場(chǎng)拼接節(jié)點(diǎn)截面最大應(yīng)力值的對(duì)比后發(fā)現(xiàn)(詳見表1),屋蓋結(jié)構(gòu)在施加臨時(shí)支撐之后,其各個(gè)主桁架桿件的內(nèi)力均有明顯的減小,其它各軸的內(nèi)力也有顯著的下降,其下降幅度約為原內(nèi)力的20%到31%左右。
圖6 支撐臺(tái)架布置圖
表1 主桁架現(xiàn)場(chǎng)拼接節(jié)點(diǎn)截面卸載前后的應(yīng)力
為保證拼接板對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固效果,并減小焊接熱應(yīng)力帶來的不利影響,有必要對(duì)拼接板施焊的順序與流程進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃。為減小加固過程對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,在加固時(shí)需要按照小受力構(gòu)件先加固的原則進(jìn)行加固施工,因此規(guī)劃的總體加固順序應(yīng)該從4-8/K軸到4-8/C軸依次完成;在施工現(xiàn)場(chǎng)的焊接工作盡量分散、對(duì)稱進(jìn)行,對(duì)于長(zhǎng)焊縫采取多道焊接原則,并盡量減小連續(xù)施焊的工作時(shí)間;拼接板的尺寸規(guī)格應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求,若尺寸不合格,可以利用焊槍在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行切割;在焊接拼接板時(shí)先進(jìn)行點(diǎn)焊固定,然后按照一定的焊接順序?qū)⑵唇影搴附釉诠ぷ咒摿荷?,如圖7所示。
圖7 拼接板焊接加固圖
在撤除屋蓋結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐時(shí),結(jié)構(gòu)所受的荷載將由結(jié)構(gòu)本身承擔(dān),因此臨時(shí)支撐的卸載對(duì)結(jié)構(gòu)本身來說相當(dāng)于一個(gè)加載的過程,也是一個(gè)結(jié)構(gòu)受力情況不斷變化的過程,因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐的卸載施工制定專項(xiàng)的施工方案。按照設(shè)計(jì)要求,在加固工作完成后對(duì)結(jié)構(gòu)的臨時(shí)支撐進(jìn)行卸載,其整體卸載順序應(yīng)從4-8/K軸到4-8/C軸依次完成,并應(yīng)對(duì)稱同步進(jìn)行,以保證在卸載時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力不產(chǎn)生較大的起伏。在臨時(shí)支撐卸載完成后,出于對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的考慮,并不完全移除臨時(shí)支撐措施,而是要在臨時(shí)支撐頂部與屋架的下弦桿之間保留一定的空隙,這樣可以在屋蓋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移或有其他不利影響時(shí),起到緩沖的作用,來保證結(jié)構(gòu)的整體安全。
大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋加固施工過程復(fù)雜多變,為保證結(jié)構(gòu)的加固質(zhì)量和加固施工過程的安全性,有必要對(duì)加固施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè),并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行論證[6]。
先利用有限元軟件Midas/Gen對(duì)該工程的施工過程進(jìn)行模擬分析,然后根據(jù)模擬分析的結(jié)果選出具有代表性的施工過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析[7],具體選出的需要監(jiān)測(cè)的施工階段為:
1、鋼桁架屋蓋加固階段,記為CS-1;
2、加固完成后,進(jìn)行的后續(xù)施工過程,記為CS-2。
其具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容如下:
(1)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)
應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)就是對(duì)鋼桁架屋蓋的加固過程和加固完成后的后續(xù)施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)變情況進(jìn)行測(cè)量輸出,并對(duì)所監(jiān)測(cè)的構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,以得出其內(nèi)力的分布、變化特點(diǎn),以及是否滿足安全性要求。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)采用精確度較高的編碼式磁感應(yīng)無線應(yīng)變計(jì),此類無線應(yīng)變計(jì)內(nèi)置溫度補(bǔ)償功能,無需進(jìn)行額外的溫度補(bǔ)償。[8]
(2)位移監(jiān)測(cè)
位移監(jiān)測(cè)就是對(duì)鋼桁架屋蓋的加固過程和加固完成后的后續(xù)施工過程中關(guān)鍵構(gòu)件的豎向變形情況進(jìn)行測(cè)量輸出,并對(duì)所監(jiān)測(cè)的構(gòu)件進(jìn)行位移分析,以得出結(jié)構(gòu)在檢測(cè)過程中位移的變化特點(diǎn),以及是否滿足安全性要求。結(jié)構(gòu)的位移可在施工現(xiàn)場(chǎng)利用位移計(jì)進(jìn)行測(cè)量,然后利用數(shù)據(jù)收集儀器與軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集整理。[9]
4.2.1 測(cè)點(diǎn)布置
(1)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置
為減少不必要的工作量,只在內(nèi)力較大的桿件上進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè),根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果,該鋼桁架屋蓋的主桁架內(nèi)力較大,因此只對(duì)4-8/C、4-8/D、4-8/H、4-8/F、4-8/K五條軸線上的主桁架進(jìn)行監(jiān)測(cè),其中4-8/D與4-8/F軸主桁架內(nèi)力最大,需分別布置三個(gè)測(cè)點(diǎn),4-8/C、4-8/H與4-8/K軸主桁架內(nèi)力相對(duì)較小,只需分別布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)即可。測(cè)點(diǎn)分布情況如圖8所示,共計(jì)9個(gè)測(cè)點(diǎn),用以監(jiān)測(cè)施工過程中,關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值及變化情況。
圖8 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖
(2)位移測(cè)點(diǎn)的布置
為減少不必要的工作量,只在位移較大的部位上進(jìn)行位移監(jiān)測(cè),根據(jù)有限元軟件模擬分析結(jié)果顯示,在整個(gè)加固及后續(xù)施工過程中,位移最大的部位位于主桁架的跨中部位,因此只需對(duì)4-8/C、4-8/D、4-8/H、4-8/F、4-8/K五條軸線上的主桁架的跨中豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可。其測(cè)點(diǎn)布置情況如圖9所示,共計(jì)5個(gè)測(cè)點(diǎn),用以監(jiān)測(cè)施工過程中,主桁架跨中的豎向位移數(shù)值及變化情況。
圖9 位移測(cè)點(diǎn)布置圖
4.2.2 加固階段監(jiān)測(cè)分析
為方便記錄分析,可根據(jù)加固施工過程將加固階段的監(jiān)測(cè)細(xì)化為如下幾個(gè)階段:
第0階段:未進(jìn)行加固施工之前;
第1階段:4-8/K軸主桁架加固完成;
第2階段:4-8/H軸主桁架加固完成;
第3階段:4-8/F軸主桁架加固完成;
第4階段:4-8/D軸主桁架加固完成;
第5階段:4-8/C軸主桁架加固完成,加固工作完成。
(1)應(yīng)力分析
在第0階段將各無線應(yīng)變計(jì)初始化,然后開始記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)值,如圖10所示。
對(duì)以上圖形分析可知,加固施工過程對(duì)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變均有影響,但影響的程度與加固施工部位到測(cè)點(diǎn)的距離有關(guān),當(dāng)測(cè)點(diǎn)距加固施工部位較近時(shí),測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較大,當(dāng)測(cè)點(diǎn)距加固施工部位較遠(yuǎn)時(shí),測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較小。在屋蓋的加固過程中,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的變化趨勢(shì)并不相同,有上升也有下降,變化比較復(fù)雜,其主要受加固的順序影響。
(2)位移分析
各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)豎向位移實(shí)測(cè)值如圖11所示。
對(duì)以上圖形分析可知,在整個(gè)加固施工過程中,并非所有的測(cè)點(diǎn)豎向位移都呈現(xiàn)出單調(diào)的下降趨勢(shì),部分測(cè)點(diǎn)的位移會(huì)出現(xiàn)上下波動(dòng)的現(xiàn)象,但總體來說,相對(duì)于加固前的位置,各個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移都呈現(xiàn)出下降到趨勢(shì),但是其下降值都不大,最大值為0.83 mm。由此可見,加固過程會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移產(chǎn)生不利影響,但是其影響程度不大。
4.2.3 續(xù)建階段監(jiān)測(cè)分析
為方便記錄分析,可根據(jù)加固完成后的施工過程將續(xù)建階段的監(jiān)測(cè)細(xì)化為如下幾個(gè)階段:
第0階段:加固施工完成之后,未進(jìn)行后續(xù)施工之前;
第1階段:屋蓋混凝土澆筑完成;
第2階段:找平層砂漿鋪設(shè)完成;
第3階段:灰瓦鋪設(shè)和附件安裝完成。
(1)應(yīng)力應(yīng)變分析
由于第0階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),且加固階段的測(cè)量數(shù)值對(duì)續(xù)建階段的測(cè)量數(shù)值影響不大,可以將無線應(yīng)變計(jì)在第0階段初始化,然后開始記錄各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)值,并與數(shù)值模擬結(jié)果相比較,如圖12所示。
圖10 各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)測(cè)值變化折線圖
圖11 各位移測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值變化折線圖
對(duì)以上圖形分析可知,各應(yīng)力應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本相同,雖然存在一定的差異,但是兩者的擬合程度依然很好。
(2)位移分析
續(xù)建階段監(jiān)測(cè)到的位移實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比如圖13所示。
對(duì)以上圖形分析可知,各位移測(cè)點(diǎn)的豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本相同,在中間雖然有所分離,但在最終依然相互趨近,其中KD-1測(cè)點(diǎn)豎向位移的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果雖然看起來差異較大,但由于其本身數(shù)值較小,所以其差距依然很小??傮w而言,該屋蓋結(jié)構(gòu)在續(xù)建階段位移監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果擬合程度較好。
在整個(gè)施工過程中,關(guān)鍵桿件受到的擾動(dòng)較大,且關(guān)鍵桿件對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性也有重要的影響,為保證施工的可靠性與安全性,有必要對(duì)關(guān)鍵桿件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。[10]
圖12 應(yīng)力實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比
圖13 位移實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比
4.3.1 測(cè)點(diǎn)布置
根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果和檢測(cè)結(jié)果,可以確定4-8/D軸主桁架左側(cè)桁架的上弦桿為關(guān)鍵桿件,并對(duì)其進(jìn)行全施工過程階段的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定該關(guān)鍵桿件的測(cè)點(diǎn)G1、G2,測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)的布置需要在加固施工進(jìn)行之前完成,測(cè)點(diǎn)布置如圖14所示。
4.3.2 施工過程監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析
關(guān)鍵桿件在加固施工(即拼接板焊接)過程中,應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)G1、G2所測(cè)到的結(jié)果隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖15所示。
通過對(duì)圖15的分析不難發(fā)現(xiàn),在焊接工作過程中(即時(shí)刻 12:50到 14:20之間),由于測(cè)點(diǎn)應(yīng)變受焊接熱應(yīng)力的影響,其變化浮動(dòng)較大。在焊接工作結(jié)束之后,測(cè)點(diǎn)G1與G2的應(yīng)變逐漸恢復(fù),但最終保留有殘余應(yīng)變,其殘余應(yīng)變換算為殘余應(yīng)力G1為0.5 MPa,G2為1.0 MPa。由此可見關(guān)鍵桿件的加固施工工程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力并不大。
圖14 應(yīng)變計(jì)布置圖
圖15 焊接過程中測(cè)點(diǎn)G1、G2處應(yīng)變曲線
利用ANSYS軟件對(duì)該關(guān)鍵桿件進(jìn)行數(shù)值模擬,并考慮焊縫質(zhì)量缺陷長(zhǎng)度和加固板長(zhǎng)度的最不利組合,分析加固前后該構(gòu)件的承載力狀況,并將模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果做對(duì)比以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠度。該關(guān)鍵桿件在續(xù)建階段中的不同施工階段,各個(gè)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)到的結(jié)果與數(shù)值模擬分析的對(duì)比結(jié)果如表2所示。
通過對(duì)表格的分析不難發(fā)現(xiàn),有限元軟件ANSYS的數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)與實(shí)測(cè)值的比值基本處于0.96到1.26之間,這說明關(guān)鍵桿件的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)構(gòu)的擬合程度較好。在續(xù)建階段,焊接拼接板處的監(jiān)測(cè)值約為工字梁翼緣板處監(jiān)測(cè)值的一半,這說明焊接拼接板有效的分擔(dān)了工字梁的內(nèi)力,加固效果比較好。
(1)為了保證加固施工的可靠性與安全性,可利用臨時(shí)支撐對(duì)原鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行不完全卸載,可有效地減小原結(jié)構(gòu)的內(nèi)力;加固施工完成后,為了保證后續(xù)施工的安全性,可對(duì)臨時(shí)支撐進(jìn)行卸載但不移除。
(2)加固施工過程對(duì)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變均有影響,但影響的程度與加固施工部位到測(cè)點(diǎn)的距離有關(guān),當(dāng)測(cè)點(diǎn)距加固施工部位較近時(shí),測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較大,當(dāng)測(cè)點(diǎn)距加固施工部位較遠(yuǎn)時(shí),測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變受加固施工過程的影響較小;加固過程對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向位移也會(huì)產(chǎn)生不利影響,但是其影響程度不大。
(3)在施工過程中,將監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)兩者的擬合程度較好,這說明數(shù)值模擬分析能較好地反映結(jié)構(gòu)在施工過程中應(yīng)力與位移的變化情況; 同時(shí)也說明了拼接拼接板加固方法的有效性與可行性,為同類工程提供參考。
表2 續(xù)建階段各測(cè)點(diǎn)模擬值和監(jiān)測(cè)值