幕墙构架钢结构加固设计与施工要点分析

吕雪瑞，张 坤

西安石油大学，陕西 西安 710065

钢结构作为一种主要的建筑结构类型之一，具有自重轻、抗震性能好、施工便捷等特点，在进行大跨度、大荷载的商业综合体幕墙体系设计中，常被选为幕墙支承结构以满足设计对承载力和稳定性的要求。但在工程实践中由于设计或施工中的不当往往会造成钢结构的某些缺陷，因此必须采用有效的方式对原钢结构进行加固。本文以某商业综合体幕墙钢结构加固工程为例，介绍了钢结构加固措施的具体应用。

1 工程概况

本工程加固对象为某商场幕墙构架钢结构，主体建筑结构体系为现浇钢筋混凝土框架结构。其中幕墙构架钢结构位于东南角，总重量89t，使用钢材材质为Q345，总长42m，高度约13m，共7层桁架。1、2层主桁架通过6个支座支承在下部钢筋混凝土主体上。3至7层为次桁架，其中5至7层为出屋顶桁架。

因前期施工缺陷，幕墙钢结构施工出现与原设计不符的问题，因此业主要求进行加固设计。为如实反映既有钢结构情况，需要对原结构进行检测。结合检测结果构建模型进行承载力复核计算，并针对结构薄弱点进行加固设计，以满足幕墙钢结构的荷载要求。

2 工程检测

根据现场初步查勘，既有幕墙钢结构的施工与设计的钢构坐标定位偏差较大，钢结构焊缝成型较差。通过对现况钢结构节点及质量检测发现：

（1）钢结构节点错位。现况节点坐标与原设计偏差为5～89cm不等，构件长度不足且均未设置加劲板。

（2）钢结构焊缝、材质力学性能、型钢厚度均不满足规范要求。现场所检部分焊缝不合格率93%。现场所检构件型钢壁厚、材质强度大部分不满足国家规范及设计要求。

故应在加固工作前，应对原有检测不合格的焊缝进行补焊，并对杆件拼接未采用内衬板焊缝的部位采用外加拼接板加强。

3 结构建模

3.1 荷载取值

（1）永久荷载主要考虑承受采光顶和结构自重，采光顶按恒荷载 0.8kN/m2，活荷载0.5kN/m2计算，主结构自重由程序自动计算。

（2）可变荷载：风荷载按50年一遇基本风压设计，为0.35kN/m2，底面粗糙度类别为B类。雪荷载按50年一遇基本风压设计，为0.25kN/m2，

（3）地震作用：本工程多遇地震、设防地震和罕遇地震，抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本加速度为0.2g，多遇地震影响系数最大值为0.16，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s。钢结构抗震按4级要求考虑。

3.2 杆件截面尺寸

原幕墙构架钢材截面尺寸及材料、数量如表1所示。根据前期现场实测检测结果，实际钢材强度不能完全满足规范要求，考虑计算时对钢材强度进行60%折减。

表1 现场钢材型材表

3.3 模型建构

结合实测数据，采用PKPM软件建立模型对原钢结构承载力进行复核计算。

4 既有钢结构核算分析

按照钢结构设计标准［1］，对既有钢结构承载力验算。计算结果显示，在焊缝合格状态下，结构整体X/Y向刚度比和剪切刚度、地震作用下结构框架剪力、层间水平倾覆力矩、层间位移角、挠度均能满足要求，没有超限的情况。在钢结构的抗倾覆和整体稳定性计算中，刚重比为1.37和1.62，均大于0.7，满足规范要求，说明结构屈曲稳定系数较高，有一定的安全储备。钢结构的整体稳定性、挠度变形、抗震性能基本满足使用要求。

但是由于杆件材质问题，各工况下部分杆件的高厚比、长宽比和应力比超过规范限值要求。支座处内力重分布，中间下部支座与东侧上部支座反力超过设计。因施工坐标偏差导致支座悬挑过大，中间下支座处竖向荷载远超设计值。表明实际钢结构承载能力不满足所需要求。为保证结构安全和幕墙安装要求，需要对既有钢结构薄弱点（支座、杆件）进行加固处理。

5 加固方案设计

结合钢结构复核计算结果、加固规范和相关理论分析，提出不改变原钢结构受力体系，通过加固杆件节点、替换部分杆件和支座、加强腹杆、增加斜撑、牛腿撑等方法进行加固。具体设计如下：

（1）节点加固：对未设置加劲板的节点补焊加劲板，未设置加劲板的边角采用外贴钢板法加固。

图1 深梁加固图

（2）杆件加固：①对实测结果显示的节点处杆件错位问题，杆件应力比超限情况，可采用增大截面、替换杆件方式进行加固。②对于杆件高厚比超限情况，采用钢板补强的措施进行加固。对于杆件替换难度较大的底部横梁，在原结构上增设深梁（图1），通过焊接整块钢板增大杆件截面尺寸。

（3）支座加固：对支座处承载力不足的问题，采用支座替换并在原支座处增设牛腿增加承载力。

（4）钢结构与混凝土连接加固：采用钢斜撑加固，将部分荷载转移到框架柱上以解决支撑混凝土承载力不足的问题。钢斜撑下端与钢板强悍，钢板与柱体之间穿孔塞焊。

（5）根据加固规范［2］要求计算杆件内力，原结构名义应力|σ0max |＞0.55fy0，表明原钢结构加固之前，需要卸载原有荷载。故使用临时支撑结构，逐次单榀卸荷加固。

6 加固工程施工要点

（1）对原有检测不合格的焊缝进行补焊并检查验收，所有焊缝按照规范［3］要求进行外观检查和超声波探伤检测。

（2）杆件节点加固前，使用胎架作为临时支撑，确保构建在卸荷状态下进行加固施工。进行杆件及支座替换施工时，对支座相邻构建节点进行安全支护，保证拆除前后的结构稳定性。支座替换需同时配合硂加固支座预埋件。

（3）新增深梁加固施工时，钢板深梁长度及盖板开孔尺寸以现场实测为准。钢板深梁施工时，水平支撑断开，待深梁施工完成后，用10厚钢板包裹焊接并与深梁、原结构焊接牢靠。

（4）施工全过程中对钢架的变形、支座的位移量进行全过程检测，发现异常情况立即停止作业，采取临时支撑等措施。

7 结论

（1）对于施工缺陷造成的承载力不足问题，设计通过多措施并针对性加固，较好地增加了结构刚度和承载力。

（2）通过加固前的补焊工作和卸荷临时支撑构件等施工措施，保证替换构件周围结构的承载力和稳定性，不损害原有钢结构。

（3）有序施工是保证施工安全和加固质量的关键，在加固设计中需要考虑施工的可实施性和带来的各种影响。