钢框架柱竖向拼接质量缺陷的处理

时间：2024-09-03

陈秀民（天津建华工程咨询管理公司，天津 300074）

1 项目概况

某五层钢框架结构工业厂房（以下简称“本项目”），层高分别为 7 950 mm、3 600 mm、3 600 mm、3 600 mm 和 4 350 mm，地基基础采用钢筋混凝土灌注桩，承台连梁基础，钢框架柱柱脚采用地脚螺栓与承台连接，首层地面下钢框架柱采用与承台同尺寸钢筋混凝土浇筑。钢框架柱截面采用箱型，截面尺寸分别为箱 600 mm×600 mm×20 mm×20 mm 和箱 600 mm× 500 mm×20 mm×20 mm。柱网示意图，如图1 所示。

图1 柱网示意图

为吊装方便，柱分为 3 节，在工厂加工，现场拼接。首节和第 2 节拼接接头标高为 7.95 m＋1.30 m，第 2 节和第 3 节拼接接头标高为 7.95 m＋10.80 m＋1.30 m。拼接采用全熔透焊缝连接，焊缝质量等级为二级（见图2）。

图2 钢框架柱拼接图

2 出现的问题和处理路径

2.1 出现的问题

在首节和第 2 节柱拼接完毕、1～4 层钢梁安装和钢筋桁架楼承板施工完成后，发现多个钢框架柱拼接处错口和垂直度偏差超过 GB 50205－2001《钢结构工程施工质量验收规范》要求的允许偏差值，部分二级焊缝不满足规范要求，存在结构安全性隐患。

2.2 确定处理程序

作为技术咨询方，监理方得到此信息并查勘现场后，提出如下处理程序，并获得建设单位的同意和支持。

（1）委托有资质的第三方对钢框架柱拼接处的垂直度和接口平面偏差进行检测，同时现场分析查找原因。

（2）请设计单位依据检测结果核算、评估钢框架柱施工中产生的垂直度偏差对结构安全性的影响。

（3）提出合理的错口加固方案及焊缝不满足要求的处理方案。

2.3 检测结果

经委托有资质的第三方进行检测，得到如下检测结果。

（1）垂直度偏差。钢框架柱单方向垂直度偏差超过规范允许偏差值的有：1-C、1-D、1-E、2-A、2-C、2-D、3-A、4-C、4-D、5-C、5-D、6-C、6-D和7-C；两个方向垂直度偏差超过规范允许偏差值的有：1-A、2-B、2-E、3-D、4-A、4-E、5-A、5-B、6-A、6-B、6-E、7-A、7-B、7-D 和 7-E。垂直度偏差超过规范允许偏差值的占到全部框架柱的 83%，垂直度偏差最大值达到 3‰。

（2）错口偏差。柱子上下节拼接处错口尺寸超过规范允许偏差限值的有：双向错口的 1-A、2-B、2-C、3-B、4-C柱，偏差值在 4 mm～5 mm 之间，以及 6-A 柱，双向偏差8 mm；单向错口的 1-C、1-D、4-E、5-B、5-C、6-B、6-D、7-B、7-C、7-D、7-E 柱，偏差值在 4 mm～8 mm 之间。错口尺寸超过规范允许偏差限值的占到全部框架柱的 49%。

（3）焊缝质量。对 24 个钢框架柱对接焊缝进行无损检测，检测结果显示，有 15 个构件存在焊缝不满足质量要求的问题。

3 垂直度偏差影响分析

3.1 钢框架柱偏差定位

根据检测报告中测得的钢框架柱的各观测段上下两端的水平偏移，定位出各柱的各观测段上下两端位置处的X、Y 向位置。在层高位置，根据与该层临近的两个量测点的位置，应用线性插值算法得到层高节点位置处柱的 X、Y坐标。

3.2 建模分析

使用 Midas Gen 软件分别对无垂直度偏差的原设计和考虑垂直度偏差的结构进行建模分析。构件布置和尺寸、荷载和地震作用情况均按原设计模型资料执行。对于考虑垂直度偏差的结构，在层高位置输入实际的偏移数据，形成柱身倾斜偏移后的结构。

3.3 计算结果

（1）周期和振型。对于无施工偏差的原设计结构和考虑垂直度偏差的结构，第一阶振型、第二阶振型都分别为 Y方向和 X 方向的平动，第三阶振型为扭转，且二者的周期也一致。

（2）层间位移角。两个结构模型在多遇地震作用下的层间位移角均满足 GB 50011－2010《建筑抗震设计规范（2016年版）》的规定。考虑垂直度偏差结构的大多数楼层的层间位移角相较于原结构有所增大，但增大的幅度很微小，表明柱身倾斜没有对结构在地震作用下的侧移产生明显影响。

（3）构件安全性。两个结构的钢梁应力比最大值和分布基本一致，梁最大应力比约为 0.8。本工程施工误差导致的倾斜未在梁上产生明显轴力，钢梁的受力状态相较于原设计没有变化，钢梁构件的安全性可以得到保证。两个结构的柱应力比分别为 0.41 和 0.46，说明尚有较大的强度储备，柱的安全性可以得到保证。

（4）节点。两个结构各层的梁端内力变化不大，增大幅度最大不超过 5%，且未超过梁端的抗弯承载力，节点安全性可以得到保证。

综上所述，钢框架柱的倾斜度偏差未对结构安全产生影响，结构在各工况下的承载力仍满足 GB 50017－2003《钢结构设计规范》和 GB 50011－2010《建筑抗震设计规范（2016年版）》的要求，加固方案验算可不考虑钢框架柱垂直度偏差的影响。

4 加固整改方案

4.1 工程偏差情况

根据 GB 50205－2001《钢结构工程施工质量验收规范》，当柱上下节拼接处施工误差比较明显，错口尺寸超过规范规定的限值（3 mm）时，需要验算其对结构的影响，再根据验算结果采取适当的措施，以满足工程质量要求。本项目钢框架柱在楼层以上 1.3 m 处由两节对接，由于工程中柱子出现对接偏差，改变了计算假定的直接传力路径，因此有必要分析偏心对柱的强度和稳定承载力的影响。

4.2 错台加固方案选择

采用钢板补强的方法进行加固，即＋1.3 m 错口处用补强钢板进行过渡，使其形成较好的受力传递。

（1）在对接处各面采用钢板（Q345B）围焊加固。需要对错口超标的各柱的各面逐个测量，对号加工连接钢板（不等厚），以保证加固钢板在对接焊缝上下均与错口柱面紧密结合，且对局部柱截面增大的影响最小，但加固钢板的加工难度过大，精度难于保证。

（2）采用两块厚度不同的钢板（薄板厚度为错口值，厚板厚度为错口值的 2 倍）对接焊接成一块板，将外表面补平（见图3），但加固钢板的加工难度过大和加工精度难于保证的问题仍然存在。

图3 不等厚钢板补强示意图

（3）在＋1.3 m 错位处采用竖向密肋板补强和焊缝过渡的方法对错口处进行加固（见图4），使上下两节间形成较好的受力传递。考虑到焊接施工便利及受力传递过渡，选择 400 mm×50 mm×20 mm 的肋板（Q345B），根据错口尺寸进行切割裁剪至可与错口处柱面紧密贴合进行补强，角焊缝焊接。此方法将导致柱截面局部增大至100 mm，影响使用净面积，但业主权衡后予以接受。

图4 密肋板加固示意图

4.3 错台加固方案验算

二层柱共有两种截面：① 轴和 ⑦ 轴钢框架柱规格为箱600 mm×600 mm×20 mm×20 mm，② 轴～⑥ 轴钢框架柱规格为箱 600 mm×500 mm×20 mm×20 mm。运用 Midas Gen 软件对五层框架考虑错口偏差后模型进行计算分析并求得二层柱的轴力和柱端弯矩。选择内力和错口偏差较大的柱 1-C，运用有限元软件 ABAQUS 按照轴压力和错口方向弯矩最大的两个工况进行验算。该柱截面为箱600 mm×600 mm×20 mm×20 mm，材质为 Q345，对接偏心位置距离构件底部 1.3 m，构件总长 3.6 m，偏心为东偏 8 mm，上端为自由端施加荷载，下端固接。验算结果如表1所示。

表1 对最大轴压力和错口方向最大弯矩的验算结果

计算结果表明，上下节错口使柱的局部应力增大，采用增加截面面积的措施可以有效地降低截面应力。弯矩对截面应力增大的影响极小，应力增大主要是由承载截面面积减小引起的。采用钢密肋板补强法能够将该处截面应力值降低并且具有较大的安全余度。

5 整改要求

5.1 对钢框架柱接焊缝缺陷的整改要求

对于不符合要求的焊缝进行割除，清理后重新采用手工电弧焊焊接。焊接焊缝割除后，对不能采用机加工方式制作的坡口，应按照有关技术要求，采用人工打磨制作坡口。经过打磨制作的坡口要确保原焊缝熔敷金属被全部清除。如果单面焊缝需处理的长度较大，必须考虑防止钢框架柱在暂时不能“合格承载”期间变形的措施。

5.2 对钢框架柱第 1 节、第 2 节拼接错口处密肋板的补强要求

（1）拼接错口处密肋板补强，应在原焊缝缺陷整改完毕并经第三方检测合格后方可进行。

（2）按现场钢框架柱错口方向逐柱逐面测量、编号，由加工厂加工对应的成品补强密肋钢板（Q345B），进场后由专人逐一核对，保证贴合面紧贴钢框架柱。尽可能避免因尺寸不符而导致现场二次加工。

（3）用砂轮磨光机将密肋板所处位置的防腐面层打磨干净，并立即对钢框架柱和肋板预热至 100℃～200℃，对角焊缝采用 E50 型焊条、二氧化碳气体保护焊施焊，其左右两侧焊缝采用双人对接焊接，每焊一道焊缝及时清理焊渣和飞溅等残留物，并且注意每道层间焊缝的温度不得高于预热温度。由于补强钢板施焊后焊缝较多，易积聚应力，在焊接时须用圆头手锤在钢框架柱侧边、肋板中间进行敲动，以使应力缓慢释放。