某学校餐厅钢结构屋面损伤分析及加固处理

高 瀑，李新泰，段世薪，赵国栋

（1.山东省建筑科学研究院有限公司，山东 济南 250031；2.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东 济南 250031）

0 引言

钢结构具有轻质高强、抗震性能好、施工速度快等特点，在结构加固与改造中广泛应用。加固设计应考虑与实际施工方法紧密的结合，并采取有效措施，保证新增的截面、构件和部件与原结构的连接可靠有效，达到新增部件和原有结构成为整体后能够共同工作的目的［1，2］。本文针对某学校餐厅在加固改造过程中出现的问题进行了全面的检查检测，介绍了结构损坏情况及分析结果，并提出处理建议，以期为其他工程提供参考。

1 工程概况

该学校餐厅原为一层建筑，后期餐厅改造及二层两次加固，高 10.35 m，基础形式采用独立基础，楼面板采用钢筋混凝土现浇板，屋面采用钢梁支撑钢桁架轻型复合板。结构安全等级为一级，设计使用年限为 30 年，抗震设防烈度为 8 度，设计基本地震加速度为 0.20g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为 Ⅲ 类，建筑抗震设防类别为重点设防类，框架抗震等级为一级，基础设计等级为丙级。混凝土强度等级为基础垫层为 C15，基础、梁板梯为 C30，柱为 C35；钢板、型钢及钢构件采用 Q235-B。

该学校餐厅于 2015 年 7 月进行二层接建施工，2018 年 1 月发现二层个别梁柱节点出现开裂情况，随即进行围箍加固处理；2018 年 7 月发现钢桁架轻型复合板横向裂缝，于是进行二次加固，施工过程中板与主梁之间出现纵向裂缝。

2 资料检查

委托方提供的钢筋检测报告显示，该工程采用的钢筋，屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及弯曲性能、重量级允许偏差等所检项目合格；提供的钢桁架轻型复合板产品合格证（产品等级为 A 级）检测报告显示，所检钢桁架轻型复合板 9 120 mm×1 480 mm×340 mm 正常使用阶段结构性能检测项目符合规范要求；提供的检测报告表明，所检 11 mm 及 18 mm 厚碳素结构钢屈服强度、抗拉强度、断后伸长率及弯曲试验符合 Q235-B 钢材要求；所检高强度大六角头螺栓连接副扭矩系数合格。提供的环氧改性粘钢结构胶检测报告结论为所检项目的检测结果符合 GB 50728－2011《工程结构加固材料安全性技术鉴定技术规范》表4.2.2－1 中Ⅰ类胶 A 级的技术要求。

经检查，该工程的屋面做法为：4 mm 厚 SBS 高聚物改性沥青防水卷材（自带页岩砂保护层）+基层处理剂一道+20 mm 厚 1∶2.5 水泥砂浆找平+最薄处 20 mm 厚 2 % 找坡层 1∶6 水泥憎水性膨胀珍珠岩（容重＜140 kg/m2）+钢桁架轻型复合板。

3 现场调查

3.1 结构布置及构件尺寸

餐厅改造（二层部分）屋面采用钢梁支撑钢桁架轻型复合板，钢梁与混凝土柱通过端板+螺栓连接，部分钢梁底设置围箍钢板+牛腿，符合加固设计要求。东西向柱距为 9.0 m×4，南北向柱距为 9.0 m×2，符合设计要求；H～M/17～19 轴间布置南北向钢主梁中点设置一道东西向钢次梁，其余轴间东西向钢次梁尚未施工，18～19/H～P 轴间设置屋面水平支撑，十字型交叉型布置，目前部分系杆因次梁施工已拆除，次梁与主梁交接处锚栓数量多于原设计；柱间支撑呈十字型交叉型，设置在 17/M～P、22/M～P、H/18～19 及 P/18～19轴间；主梁尺寸为 HM488×300×11×18，次梁尺寸为 HM440×300×11×18，系杆尺寸采用 φ20 mm 圆钢，柱间支撑采用 φ79×2.0 圆钢，混凝土柱截面尺寸为 600 mm×600 mm，均符合设计要求。屋面采用钢桁架轻型复合板，板长 9.05 m，沿南北向布置，通过东西向钢梁支撑，轴间布置各 6 块，符合设计要求。

3.2 连接构造

该工程二层钢主梁与混凝土柱顶预埋钢板外伸端板通过 3M20 高强螺栓连接，梁柱节点在梁底标高处设置钢板围箍+牛腿，钢板通过数量不等的 M16 螺栓锚固于柱混凝土中；在梁顶处通过钢板围箍与预埋板焊接连接，钢板通过数量不等的 M16 螺栓锚固于柱混凝土中；东西向钢次梁通过 6M20 螺栓连接。除个别位置外，梁柱节点符合第一次加固方案，典型节点连接形式如图1 所示。

图1 典型节点连接形式

3.3 钢材抗拉强度

依据 GB/T 50344－2019《建筑结构检测技术标准》，采用里氏硬度计，现场随机抽取部分钢构件对其硬度进行检测，并换算成钢材抗拉强度［3］。经检测，所检构件抗拉强度换算值均达到钢材牌号 Q235 抗拉强度的要求。检测结果如表1 所示。

3.4 构件变形

现场对钢梁及屋面板的变形情况（含施工误差）进行检查检测，经检测，该工程钢梁挠度、屋面板挠度满足 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鉴定标准》要求［4］，检测结果如图2、图3 所示。

图2 钢梁变形检测结果（单位 mm，向上为正）

图3 屋面板变形检测结果（单位 mm，向上为正）

3.5 化学锚栓锚固抗拔承载力

依据 JGJ 145－2013《混凝土结构后锚固技术规程》及委托方提供的化学锚栓基本设计参数（取 39.20 kN）检测，现场所检化学锚栓锚固抗拔承载力及检测完毕后状态均满足设计要求［5］。具体检测结果如表2 所示。

表2 化学锚栓锚固抗拔承载力检测结果

3.6 现场施工质量

经现场检查检测，二层加固部分存在以下问题。①现场随机选取部分柱顶，凿开顶部，发现存在放置砖块及杂物现象；②个别钢主梁端部存在螺栓孔扩孔、梁腹板与端板之间存在空隙、螺栓孔中心至构件边缘距离不满足规范要求；③现场对该工程梁柱节点处的钢板围箍焊接焊缝外观质量进行了随机抽查检测，部分焊缝不饱满，个别钢板之间未采用坡口焊；④个别钢梁底与牛腿顶板有空隙；⑤个别锚栓无螺帽；⑥18～19/H～P 轴间屋面支撑个别已拆除；⑦个别牛腿与梁中心线未对齐；⑧部分钢板围箍与柱顶混凝土之间有空隙。典型部位外观如图4 所示。

图4 梁柱节点与屋面板典型部位现状图

3.7 结构验算

根据委托方提供的设计图纸、相关资料及现场检查检测结果，对二层加固部分钢梁及梁柱节点连接进行承载力复核验算。

1）荷载取值。按委托方提供的设计图纸，恒荷载按设计图纸对应 GB 50009－2012《建筑结构荷载规范》中的规定取值［6］。活荷载标准值：餐厅、备餐间按2.50 kN/m2，楼梯间按 3.50 kN/m2，不上人屋面按0.50 kN/m2，其他按 2.00 kN/m2，基本风压按 0.45 kN/m2，基本雪压按 0.35 kN/m2。

2）验算条件。验算时抗震设防烈度为 8 度，设计基本地震加速度为 0.20g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为 Ⅲ 类，建筑抗震设防类别为重点设防类，框架抗震等级为一级，基础设计等级为丙级。结构布置、混凝土强度、钢筋强度、钢材强度、构件尺寸均按设计取值，梁截面尺寸按实测值，化学锚栓基本设计参数按委托方提供的资料，梁柱节点按原设计并结合现场检查检测结果，采用盈建科建筑结构计算软件，输入计算机，由计算机形成该工程的结构模型进行验算。

3）验算结果。餐厅改造（二层部分）设计时，二层加固钢梁抗弯、抗剪承载力满足规范要求，挠度满足规范限值要求，梁腹板与端板螺栓连接个数满足设计及规范要求。

第一次加固后，钢梁抗弯、抗剪承载力满足规范要求，挠度满足规范限值要求，梁腹板与端板螺栓连接个数满足设计及规范要求。梁柱节点化学锚栓承载力满足设计及规范要求。

4 鉴定分析

1）现场所检化学锚栓锚固抗拔承载力均满足设计及规范要求，所检钢构件抗拉强度换算值均达到钢材牌号 Q235 抗拉强度要求，该工程二层钢梁、屋面板挠度满足 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鉴定标准》要求。

对委托方提供的设计图纸进行复核：餐厅改造图纸中钢梁与混凝土柱预埋锚筋构造及典型节点，原设计为柱顶锚板采用对拉螺杆连接，实际施工为柱顶锚板采用 M16×125 特殊倒锥形化学锚栓连接，两处的详细构造不一致且无设计变更；施工单位更改锚固方式施工，设计单位无确认。餐厅改造设计及第一次加固后，钢梁抗弯、抗剪承载力满足规范要求，挠度满足规范限值要求，梁腹板与端板螺栓连接个数满足规范要求。

2）该工程现场施工存在以下问题：个别柱顶放置砖块及杂物，部分钢主梁端部存在螺栓孔扩孔、梁腹板与端板之间存在空隙、螺栓孔中心至构件边缘距离不满足规范要求等；梁柱节点处钢板围箍部分焊缝不饱满、未焊透，部分钢板之间未采用坡口焊等，个别围箍板尺寸与设计不符；个别钢梁底与牛腿顶板有空隙；个别锚栓无螺帽；个别牛腿与梁中心线未对齐；部分钢板围箍与柱顶之间有空隙，以上均不符合加固设计及规范要求，应进行处理。

3）二层钢桁架轻型复合板之间、副桁架弦杆与填充材料之间、钢桁架轻型复合板与主钢梁之间存在开裂现象，上述裂缝均非板自身的受力裂缝，不影响钢桁架轻型复合板的安全使用。

4）鉴于施工存在上述问题，二层钢梁及梁柱节点存在安全隐患，应进行处理。应对上述钢梁及梁柱节点进行处理，处理完毕并经验收合格后可安全使用。

5 处理措施

综合委托方提供的设计图纸、加固方案、部分施工资料及验算结果，对二层需要处理的梁柱节点及二层钢梁提出以下处理建议：需要注意的是钢结构的缺陷和损伤的修复，应卸除或部分卸除作用于结构上的活荷载，避免产生不利的附加应力，并采取可靠的安全措施［7］。

5.1 二层需要处理的节点建议

1）放置砖块及杂物的柱顶，清理干净杂物后采用水泥基灌浆料进行填充处理。

2）对钢主梁梁腹板与端板之间存在空隙、螺栓孔中心至构件边缘距离不满足规范要求，梁柱节点处钢板围箍部分焊缝不饱满、未焊透，个别围箍板尺寸与设计不符，部分钢板之间未采用坡口焊的部位，应按设计及规范要求进行恢复处理。

3）对螺栓孔或锚栓孔扩孔的部位，在扩孔处进行补焊处理；锚栓无螺帽、螺杆偏长部位，螺帽与钢板、螺杆之间均焊接，焊接时采取降温措施。

4）钢梁底与牛腿顶板有空隙的部位，塞填钢板并与钢梁、牛腿顶板固定焊接。

5）牛腿与梁中心线未对齐的部位，在牛腿处增设三角形端板，使修复后的牛腿端板与梁中心线对齐，如图5 所示。

图5 牛腿与梁中心线未对齐的部位处理建议（单位：mm）

6）钢板围箍与柱顶混凝土之间有空隙的部位，采用压力注入建筑结构胶进行处理。

5.2 二层南北向钢梁加固建议

二层 18/H～M、19/H～M、20/H～M、18/M～P、19/M～P 及 20/M～P 钢梁，通过焊接连接使钢板带与屋面主桁架角钢、主钢梁之间形成一个整体。上述主梁与东西向次梁交接处南北向各 1.625 m 范围内焊接 5 mm厚 200 mm 宽钢板，焊缝长度 250 mm@250 mm，焊脚尺寸为 5 mm，钢板采用 Q235B；主次梁交接处南北两侧均对称增设 2 对加劲肋。加固位置如图6、图7 所示。

图6 钢板带加固位置示意图（单位：mm）

图7 钢板带加固示意图（单位：mm）

5.3 屋面板裂缝处理

该餐厅二层钢桁架轻型复合板之间、副桁架弦杆与填充材料之间、钢桁架轻型复合板与主钢梁之间存在开裂现象，上述裂缝建议采用经安全性鉴定合格的Ⅰ级聚合物砂浆处理。基本性能和长期使用性能标准应符合相关规范、规定的要求［8，9］。

6 结语

本文针对某学校餐厅在加固改造过程中出现的问题进行了全面的分析，介绍了结构损坏情况及分析结果，并提出加固处理建议，得到如下结论。

1）节点设计应满足承载力极限状态要求，防止节点因强度破坏、局部失稳、变相过大、连接开裂等引起节点失效；节点的安全性主要决定于其强度与刚度，应防止焊缝与螺栓等连接部位开裂引起节点失效，或节点变形过大造成节点内力重分配［10］。加固改造中新增的截面、构件和部件与原结构的连接施工质量是影响新增部件和原有结构成为整体的重要因素，加固设计应重点做好构件和节点设计，考虑与实际施工方法紧密地结合并采取有效措施，以保证结构的安全。

2）施工过程中应加强施工组织设计，严格监督监理施工安装过程，确保施工过程中及使用阶段能形成稳定的空间体系，满足工程的实际使用。