大型公共建筑外包钢加固设计及施工实践

宓志刚 吴超杰

中建三局集团有限公司 浙江 杭州 310016

目前，我国建筑行业已经从以往的大规模新建时期逐步过渡到新建与既有建筑改造与维护更新并重的时期，特别在一些现代化城市，大量既有建筑物面临着加固改造的问题。这一时期里，城市更新这一概念也正日益受到国家重视与推广，在城市更新这一环节中，结构加固对于延伸建筑的安全使用寿命及功能，显得至关重要。其中，外包钢加固应用于梁、柱等规则截面的加固设计技术较为成熟且施工实践经验较为丰富，但对于一些复杂节点的设计及施工实践较少[1-3]。本文结合某大型商业综合体钢结构连廊下挂节点外包钢加固案例，就复杂下挂节点设计及施工技术进行论述和总结，为其他类似加固工程项目提供参考。

1.1 工程设计概况

本工程地上结构共6层，建筑高度约30.2 m，地下共2层，建筑深度约8.9 m，该综合体总建筑面积约80 464 m2，结构受力体系为钢筋混凝土框架结构，其中2～5层在中庭位置设置钢结构连廊作为两侧商业街的连通道。钢结构连廊最大跨度为16.2 m，钢连廊主体结构采用主次钢梁＋组合楼板的形式，主钢梁沿跨度方向通长布置，通过两端钢牛腿支座将上部荷载最终传递给混凝土结构。2层连廊平面见图1。

图1 钢连廊位置示意

1.2 工程现场概况

1.2.1 现场施工概况

钢结构连廊楼面组合楼板均已浇筑完成，局部牛腿位置吊顶龙骨安装完成，部分区域防火卷帘安装完成，牛腿位置被顶部卷帘箱遮挡。整体存在一定的拆改量。

1.2.2 牛腿开裂概况

本工程2～5层连廊区域均出现不同程度的裂缝，主要集中在大中庭连廊区域（该位置支座集中荷载普遍较大，根据设计计算，最大竖向荷载为997 kN）。

根据外观观察，此次下挂节点裂缝大致可分为竖向裂缝、横向裂缝、斜向裂缝、角部爆裂、埋板与混凝土脱开5种情况，见图2。

图2 裂缝分类

1.3 工程加固设计方案

1.3.1 加固方案比较

目前，国内针对混凝土结构的改造加固方法主要包括外包型钢、外粘钢板、增加截面、置换混凝土、粘贴纤维复合材料、预应力碳纤维复合板加固、预张紧钢丝绳网片-聚合物砂浆面层加固和绕丝加固等方法。通过对比分析各类加固方法的优缺点，本工程最终采用外包钢加固法进行加固施工。

1.3.2 加固设计条件

原下挂节点埋板形式分为单面埋板及双面埋板，埋板厚度25 mm，共计20根φ20 mm锚筋。原设计钢连廊下挂节点截面尺寸为400 mm×750 mm，沿宽度方向配置3φ22 mm的吊筋，沿长边方向配置φ14 mm@100 mm的U形筋，沿高度方向配置6φ18 mm的点筋，混凝土强度等级同梁板强度等级，均为C30。根据原设计计算，各两廊牛腿承受竖向荷载设计值在40～812 kN之间。下挂节点如图3所示。

图3 下挂示意

1.3.3 外包钢加固设计计算

经现场勘察及第三方检测机构检测，部分下挂节点裂缝情况较为严重，局部节点不考虑原构件受力，采用外包钢加固形式，通过与原钢牛腿进行焊接，将钢牛腿荷载全部传递至边梁完好混凝土区域。根据原结构牛腿受力情况、支座情况、节点周边结构情况，共设计11种加固类型。加固类型分类见表1。

表1 加固类型分类

典型加固模型如图4、图5所示。

图4 滑动支座区域典型加固模型

图5 固定铰支座区域典型加固模型

本文选取2种节点进行说明。

2类加固节点设计说明：当梁下挂节点后有悬挑梁，且为固定铰支座边时，先将整个梁包钢，包钢梁两边各采用3M24的对穿螺杆（采用碳钢制成，性能等级8.8级）、4M20的锚栓（采用特殊倒锥形胶粘型锚栓，性能等级8.8级）进行加压固定，对于有楼板使部分梁不能直接包钢的部位，有悬挑梁一端采用钢板对穿楼板，另一边采用φ16 mm钢筋对穿楼板的方式，将钢板与钢板、钢板与钢筋焊接，并在双面侧向及梁底部加劲肋板。具体节点如图6所示。

图6 包钢三维示意（梁下挂节点后有悬挑梁，且为固定铰支座边时）

3类加固节点设计说明：当梁下挂节点后紧贴悬挑梁，且为滑动支座边时，先将整个梁粘钢包住，梁两边各采用3M24的对穿螺杆（采用碳钢制成，性能等级8.8级）、4M20的锚栓（采用特殊倒锥形胶粘型锚栓，性能等级8.8级）进行加压固定，对于有楼板使部分梁不能直接包钢的部位，有悬挑梁一端采用钢板对穿楼板，另一边钢板对穿原悬挑楼板的方式，将钢板与钢板进行焊接。在原钢梁上部竖向加焊两块500 mm高竖板，横向加焊500 mm长的盖板，且在双面侧向及梁底部加劲肋板。具体节点如图7所示。

图7 包钢三维示意（梁下挂节点后紧贴悬挑梁，且为滑动支座边时）

由于本工程节点较多，其余节点不再赘述，需注意的是，包钢加固节点除了承受剪力外同时还承受竖向荷载产生的弯矩，以及钢梁与支座非正交布置产生的扭矩，应考虑弯矩、扭矩和剪力同时作用并计算其应力。经验算，补强后节点各区域强度均达到承载力要求。

2.1 施工工期紧张，资源组织压力大

本工程2层涉及加固节点19个，3层涉及加固节点18个，4层涉及加固节点15个，5层涉及加固节点49个，共计101个节点，整体工期30 d，工期紧张，资源设备投入大，施工组织要求高。

2.2 钢连廊面积大，卸荷难度大

钢连廊单层面积约400 m2，共设置23处临时支撑，支撑需从地下2层到4层连续设置。如何保证竖向钢管支撑竖向同轴不偏心，以及如何同时控制多个千斤顶同时卸载，不产生结构二次伤害，是本工程重难点。

2.3 加固节点种类多，节点深化要求高

本工程设计根据支座锚固形式、受力情况、界面位置等共分为11个加固节点类型，经现场实际勘察，每个节点由于主次梁交叉关系、弧形梁等影响均存在不同程度的差异，需根据现场放样情况进行单独深化，且放样精度要求高。

3.1 临时支撑安装

临时支撑安装流程：安装下端钢板→安装上端钢板→千斤顶就位→钢管安装、垂直度检查→钢管间2道横挡安装→千斤顶同步加载顶紧。

按照设计图纸要求，对需要进行支撑的部位进行定位，然后作临时支撑加固施工，临时支撑加固地下2 层～地上3 层采用φ2 9 9 m m×1 0 m m 或H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm，地上4层采用φ299 mm×10 mm钢支撑；
钢支撑下方设置100 t/200 t液压千斤顶，钢支撑与钢支撑间采用竖向2道20a#槽钢进行连接，以确保稳定性。

钢支撑的安装顺序从地下2层至地上4层逐层安装，待全部安装完毕后，液压千斤顶分批分次同时预加载，第1批预加载为地下2层及地下1层，第2批预加载为地上1层～4层，第1批第1次预加载完毕后开始第2批第1次预加载，以此类推。每次预加载量不超过100 kN，每个千斤顶预加载总量不超过恒载工况的90%。图8为钢支撑立面。

图8 钢支撑布置立面

分批分次同时预加载通过PLC同步升降控制系统实现，通过预先在计算机内设置钢连廊底部各支撑的加载力指令，系统能够自动通过力传感器调整每个千斤顶的压力，在钢连廊整体卸载过程中保持24个临时支撑点位顶升力的平衡，保证各顶升点所需的顶力值与实际提供值相符。同时，通过位移指令来控制钢连廊卸载过程中千斤顶的行程，保证每层24个临时支撑千斤顶顶升的同步性，是一种力和位移综合控制的顶升方法。

3.2 外包钢施工

外包钢施工流程：表面处理→钢板放样样板制作→钢板加工及现场焊接→高强螺栓施工→检验→高压注胶→表面防护、刷防锈漆→验收。

3.2.1 表面处理

首先对构件缺陷部位进行针对性的修复处理。清除构件表面的破损混凝土，尤其是裂缝宽度＞3 mm的位置，并打磨至坚实基层，转角部位应倒角（R＞20 mm）；
对不平整部位进行打磨及修复处理。清除表面粉尘并清洗干净，设置凹槽。

钢板安装前经打磨除锈、表面清洗处理，使得钢板与混凝土基层之间保持合理间隙，并且安装时焊接质量符合设计及规范要求。

3.2.2 钢板放样样板制作

本工程加固节点各异，每个加固节点都需要根据现场实际构件尺寸进行放样样板制作：样板采用厚度0.3 mm的薄铁皮制作，制作过程中钢构件的相关加工余量需要充分考虑。每一个加固节点样板上的加工线和符号需要标记清楚，并注明编号、规格及数量，以便工人施工。

3.2.3 钢板加工及现场焊接

为了确保构件接触牢固、均匀和坡口焊的良好焊接品质，减少切削后钢筋硬化的不良反应，并防止形成淬硬层，对切削后钢材的边缘也应该进行必要处理。钢板的所有边缘加工都应当满足GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》的有关规定。

加固钢构件安装前，应按提供的明细表核对材质、规格及外观质量，查验钢构件的技术文件。所有加固钢构件须经质量、强度等检查，全部符合设计要求，并经验收合格和签字手续后，才可安装。

钢结构吊装现场钢板运输可采用货梯运至施工场地（2～5层楼面），再由现场人工搬运至牛腿节点处或运用1～2 t葫芦进行吊装，随后进行节点施工（图9）。

图9 包钢安装实体

3.2.4 高强螺栓施工

高强螺栓孔开设完成后用铰刀进行修孔及清孔处理，确保螺栓能轻松穿入孔内。安装时确保穿入方向一致，同时构件摩擦面应保持洁净。必须在24 h内完成高强螺栓的初拧和终拧。初拧紧固至螺栓准强拉力60%～80%，第2次为终拧。每组高强度螺栓的拧紧以构件中心向周边逐步施拧，螺栓终拧完成后外露丝扣不得少于2个（图10）。

图10 螺栓锚杆加固实体

3.2.5 高压注胶施工

高压注胶前确保钢板与混凝土结构之间的间隙内干燥无杂质。灌胶嘴布置完成后，采用高强砂浆进行封缝处理，封缝必须全封闭，确保不漏胶；
胶的配比、灌的顺序以及操作流程按产品说明书及规范要求严格执行，胶体灌注和固化期间严禁焊接及扰动（图11）。

图11 注胶管布置实体

3.2.6 钢结构防锈防火处理

钢构件完成后，对构件表面应按设计图纸要求进行除锈、防护涂装。防腐层要求：钢板外表面均按照规范要求进行除锈处理，然后再根据设计要求分遍喷涂防锈漆。防火涂层要求：采用压送式涂机分遍喷涂厚型防火涂料。

3.3 临时支撑拆除

待梁下挂节点加固完成且达到设计强度后，将临时支撑从上层至下层依次拆除。加固完成效果图如图13所示。

目前该项目已经历2年的运行期，状况良好。在大型公共建筑下挂牛腿外包钢加固设计与施工实践中，针对遇到的难点，可采取如下解决措施：

1）针对加固节点复杂且多的项目，需要从成本、工期、质量等控制要求出发，通过分类设计，针对性地制定加固设计方案，从而达成加固设计处理的整体最优。

2）采用PLC同步升降控制系统，从位移和力两方面对临时支撑进行控制，确保不对结构造成二次伤害。

3）针对各类现场节点进行放样样板制作，充分应考虑相关加工余量，确保节点一次加工安装成形。

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