鋼結(jié)構(gòu)夾層在老舊小區(qū)改造中的應(yīng)用

于培龍 顧典科 范思軼

摘 要：鋼結(jié)構(gòu)因具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、工廠化程度高、施工工期短、節(jié)約建筑空間等特點，在老舊小區(qū)改造中得到了廣泛應(yīng)用。本文通過成功的案例，介紹鋼結(jié)構(gòu)夾層施工關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵控制點，為老舊小區(qū)鋼結(jié)構(gòu)改造提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)夾層;老舊小區(qū)改造;二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊

中圖分類號：TU551文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0088-05

Discussion on the Application of Steel Structure Interlayer in

the Reconstruction of Old Residential Community

YU PeiLong GU Dianke FAN Siyi

（Sinohydro Engineering Bureau 8 Co.， Ltd.，Changsha Hunan 410004）

Abstract： Steel structure has been widely used in the reconstruction of old residential areas because of its high strength， light weight， high degree of industrialization， short construction period and saving building space. Through successful cases， this paper introduced the key technologies and key control points of steel structure sandwich construction， so as to provide basis for the transformation of steel structure in old residential areas.

Keywords： steel structure interlayer;transformation of old residential areas;carbon dioxide arc welding

中華人民共和國成立后，借助蘇聯(lián)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的支持，國內(nèi)開始進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)。之后，鋼結(jié)構(gòu)通過不斷發(fā)展，逐步拓展到公共建筑、工業(yè)建筑和民用建筑等多個領(lǐng)域。但是，鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求水平仍較低。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步和人民需求的日益提高，原有的建筑標(biāo)準(zhǔn)已不能滿足人們的要求，要根據(jù)社會需求和功能劃分對舊的鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行重新改造和設(shè)計。層高較高的建筑可通過增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)夾層調(diào)整空間布局，增加室內(nèi)建筑面積，改善室內(nèi)功能，在寸土寸金的用地上增加更多的活動空間。本文通過分析鋼結(jié)構(gòu)夾層的技術(shù)難點和應(yīng)用案例，探討其在老舊小區(qū)改造中的應(yīng)用。

1 工程概況

花垣縣城南保障性安居工程配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目——農(nóng)貿(mào)市場項目位于花垣縣城南社區(qū)廉租房小區(qū)，占地7 613.9 m2，建筑面積為14 456.5 m2，鋼結(jié)構(gòu)建筑面積為7 613.9 m2，地下一層、地上一層，地下為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地上為鋼結(jié)構(gòu)，檐口高度為8.9 m，最高達(dá)11.8 m，屋面跨度為8～16 m，抗震烈度6度，設(shè)計使用年限50年。項目為花垣縣最大廉租房小區(qū)提供便民服務(wù)，便于社區(qū)居民就近購物買菜。2020年，為打造智慧農(nóng)貿(mào)市場工程，完善小區(qū)配套，方便小區(qū)居民，農(nóng)貿(mào)市場進(jìn)行二次精裝修，完善消防設(shè)施和購物平臺，并對鋼結(jié)構(gòu)增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)夾層，以滿足市場功能需求。

2 設(shè)計方案

在精裝修施工中，吊頂、照明、風(fēng)扇、電纜、廣告牌等施工要考慮設(shè)置安裝平臺，以降低施工難度;同時，考慮到公共區(qū)域消防噴淋頭間距為2.6 m×2.6 m，同樣需要安裝平臺。針對上述因素，設(shè)計單位為降低安裝難度，減少施工周期，在+6.00 m標(biāo)高處增加一層鋼結(jié)構(gòu)夾層作為固定端，便于噴淋頭支架安裝。本結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載：消防噴淋管道0.5 kN/m2，吊頂裝修0.5 kN/m2。施工、使用過程中，荷載不得超過以上限值。

鋼結(jié)構(gòu)夾層的結(jié)構(gòu)計算采用同濟(jì)大學(xué)開發(fā)的3D3S鋼結(jié)構(gòu)-空間結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件。主梁采用Q345B熱軋H型鋼HN500×200×10×16和Q235B熱軋H型鋼HM294×200×8×12，次梁采用Q235B熱軋H型鋼HN194×150×6×9。通過計算模型進(jìn)行分析，并進(jìn)行規(guī)范檢驗，發(fā)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)能滿足承載力要求，應(yīng)力比最大值為0.94。

3 實施方案

3.1 實施原則

第一，精確測量，BIM（建筑信息模型）深化設(shè)計。在有限空間內(nèi)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工時，必須對已有構(gòu)筑物進(jìn)行精確測量，消除構(gòu)筑物主體偏差。本研究采用紅外測量儀器對已竣工的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間定位[1]，然后導(dǎo)入Tekla鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計軟件中進(jìn)行建模深化，將構(gòu)件尺寸規(guī)格表送至工廠加工。

第二，多工具配合裝配施工。施工時，采用自行剪叉式作業(yè)平臺進(jìn)行高處焊接作業(yè)，先將耳板焊接定位，然后采用手拉葫蘆吊裝，人工輔助鋼梁運送至耳板處，采用沖釘臨時固定，再采用高強(qiáng)螺栓固定連接。

第三，科學(xué)施焊，消除焊縫應(yīng)力。先焊接收縮量大的焊縫，待收縮量大的焊縫自由收縮完全并緩慢冷卻之后，再焊接收縮量小的焊縫，以達(dá)到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的目的;嚴(yán)格控制焊接熱輸入（不超過50 kJ/cm），降低鋼材的熱敏感，以達(dá)到不降低鋼材的塑性和韌性的目的;采用對稱焊接，使構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力和變形趨于相對平衡的狀態(tài);采用分段退焊，不僅可以減小熱輸入量，而且可以減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形;焊前預(yù)熱，使鋼材在焊接過程中的溫度趨于均勻，從而達(dá)到減小焊接殘余應(yīng)力的目的[2]。

第四，改變施工順序，消除累積誤差，防止荷載集中。施工時，通過合理劃分施工區(qū)域，先施工中央?yún)^(qū)域，再對稱施工周邊區(qū)域，減少構(gòu)件累積誤差和構(gòu)筑物的不均勻受力。

3.2 實施工藝

3.2.1 原結(jié)構(gòu)實測及Tekla模型建模。本工藝采用紅外測量儀器對已竣工鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間定位，然后導(dǎo)入Tekla軟件進(jìn)行建模深化，將構(gòu)件尺寸規(guī)格表送至工廠加工，編號后運輸至現(xiàn)場堆放。原主體鋼結(jié)構(gòu)及新增鋼結(jié)構(gòu)夾層Tekla模型如圖1所示。

3.2.2 連接耳板焊接。夾層鋼結(jié)構(gòu)與原有鋼柱主要通過連接耳板進(jìn)行連接，連接耳板采用焊接的方式連接到原有鋼柱上。耳板與原鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點及模型如圖2、圖3所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為mm。

根據(jù)母材材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)場安裝焊接采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（GMAW），高空組裝焊接采用手工電弧焊（SMAW）或二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊（GMAW）。保護(hù)氣體為二氧化碳（CO2），純度為99.98%（露點不大于-40 ℃），焊接材料采用氫含量較低的焊材。焊接材料的選用原則與母材強(qiáng)度等強(qiáng)，焊接不同類別的鋼材時，選用與強(qiáng)度級別較低母材相匹配的焊材[3]。

焊材及焊接方法具體選用如表1所示。

3.2.3 鋼結(jié)構(gòu)吊裝、安裝

3.2.3.1 吊裝順序。為減小累積誤差，且避免從單側(cè)安裝導(dǎo)致架體受力不均勻從而引發(fā)鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，鋼結(jié)構(gòu)裝換層具體安裝順序為：從中間向四周進(jìn)行安裝，先安裝主梁，待主梁安裝完成后進(jìn)行次梁安裝。具體順序為：①→②→③→④→⑤→⑥→⑦→⑧，如圖4所示。

3.2.3.2 鋼結(jié)構(gòu)吊裝。采用電動叉車輔以人工將主梁轉(zhuǎn)運至指定安裝位置后，采用2 t手拉葫蘆將鋼梁提升至指定高度后與事先安裝完成的連接耳板進(jìn)行螺栓連接。手拉葫蘆固定形式為：先將寬8 cm、厚11 mm的起重吊帶固定于上部原有鋼梁上，隨后將手拉葫蘆上掛鉤掛于起重吊帶上，并采用12 mm鋼絲繩將下掛鉤與待安裝鋼構(gòu)件連接牢固。手拉葫蘆上掛點如圖5所示。起吊時，鋼梁兩端同時起吊，吊運過程中采用纜風(fēng)繩牽引控制擺動幅度，確保鋼梁起吊過程中始終保持與地面平行。起吊過程如圖6所示。

3.2.3.3 連接耳板與鋼構(gòu)件間高強(qiáng)螺栓施工。本工程鋼構(gòu)件鋼梁之間、鋼梁與鋼柱之間采用10.9級摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，螺栓規(guī)格為M20。高強(qiáng)螺栓結(jié)合面不得涂漆，采用噴砂處理法，摩擦面抗滑移系數(shù)不小于0.45。高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力[P]=155 kN。高強(qiáng)螺栓嚴(yán)禁強(qiáng)行穿入，當(dāng)不能自由穿入時，可用鉸刀進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔前，應(yīng)首先將四周螺栓全部擰緊，使板迭密貼緊后再進(jìn)行鉸孔。擴(kuò)孔數(shù)量不得超過一個接頭螺栓孔數(shù)的25%，擴(kuò)孔直徑不得大于原孔徑的1.2倍。嚴(yán)禁用氣割進(jìn)行高強(qiáng)螺栓的擴(kuò)孔工作。高強(qiáng)度螺栓一般用兩種方法擰緊，即扭矩法和轉(zhuǎn)角法。扭矩法分初擰與終擰二次擰緊。為減少初擰與終擰的高強(qiáng)度螺栓預(yù)應(yīng)力的區(qū)別，一般先用普通扳手對其初擰，初擰扭矩一般為終擰扭矩的30%～50%，再用終擰扭矩將螺栓擰緊。若板層較厚，初擰的板層達(dá)不到充分密貼，還要在初擰與終擰間增加復(fù)擰。復(fù)擰扭矩和初擰扭矩相同或略大。轉(zhuǎn)角法也分初擰與終擰二次擰緊，初擰扭矩用終擰的30%～50%進(jìn)行，使接頭的各層鋼板達(dá)到充分緊貼，再在螺母和螺桿上面通過圓心畫一條直線，然后用扭矩扳手轉(zhuǎn)動螺母的一個角度，使螺栓達(dá)到終擰要求。轉(zhuǎn)動角度的大小在施工前由試驗確定。

3.2.4 防火涂料施工

3.2.4.1 防火涂料。本工程鋼梁耐火極限要求為1.5 h，采用NCB-01型防火涂料刷1.5 mm即可滿足防火要求。

3.2.4.2 涂裝施工。鋼結(jié)構(gòu)涂裝工程應(yīng)在鋼結(jié)構(gòu)安裝工程檢驗批和鋼結(jié)構(gòu)普通涂料涂裝檢驗批的施工質(zhì)量驗收合格后進(jìn)行。

涂裝工藝、涂裝遍數(shù)、涂層厚度等均應(yīng)滿足相關(guān)國家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求。待涂表面應(yīng)清潔、干燥且無染物[4]。涂裝前根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》 （GB 50205—2001）的要求進(jìn)行表面處理，確保底漆已完全固化。

中間漆施工前，必須確保底漆涂層完整，任何破損、漏涂或返銹區(qū)域均不允許進(jìn)行環(huán)氧中間漆的施工。

底漆、中間漆及面漆均為雙組分產(chǎn)品，施工單位應(yīng)嚴(yán)格按照制造商提供的施工工藝進(jìn)行實施，超過混合使用期的產(chǎn)品不得繼續(xù)使用。油漆供應(yīng)商提供持有NACE 2級認(rèn)證的現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)協(xié)助油漆施工和檢查。

涂裝完成后，漆膜表面應(yīng)光潔，厚度均勻，無皺皮、流墜、針眼、氣泡、脫皮、返銹等現(xiàn)象。構(gòu)件表面不應(yīng)漏涂、誤涂。

若涂裝過程中前道漆膜受損或其他原因使得漆膜的質(zhì)量不能保證或難以保養(yǎng)，則應(yīng)去除漆膜，使鋼材表面恢復(fù)原狀后重新按照正確的工藝步驟進(jìn)行涂裝。

4 施工注意事項

4.1 精確測量

有限空間內(nèi)，鋼結(jié)構(gòu)施工必須對已有構(gòu)筑物進(jìn)行精確測量，消除構(gòu)筑物主體偏差引起的施工偏差[5]。施工時，采用紅外測量儀器對已竣工的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間定位，然后導(dǎo)入Tekla軟件進(jìn)行建模深化，將構(gòu)件尺寸規(guī)格表送至工廠加工，減少構(gòu)件加工誤差，現(xiàn)場無須二次切割、焊接，節(jié)約人工、機(jī)械費用。

4.2 構(gòu)件運輸

老舊小區(qū)或工業(yè)建筑承載能力有限，采用垂直運輸還是水平運輸，需要根據(jù)原有建筑承載能力考慮。本工程地下室頂板設(shè)計荷載為350 kg/m2，為減少水平運輸設(shè)備對頂板的影響，施工時采用小拖車運輸，自行剪叉式作業(yè)平臺進(jìn)行高處焊接作業(yè)，先將耳板焊接，然后采用手拉葫蘆吊裝，人工調(diào)整鋼梁運送至耳板處，先采用沖釘固定，再采用高強(qiáng)螺栓固定連接。傳統(tǒng)工藝采用運輸車運輸，但吊裝受凈高限制，吊車無法作業(yè)，仍需要采用手拉葫蘆吊裝，且需要搭設(shè)滿堂支撐架對地下車庫頂板加固。

4.3 焊接殘余應(yīng)力處理及變形控制

4.3.1 殘余應(yīng)力及變形影響。鋼結(jié)構(gòu)焊接時，焊縫密集，且材料強(qiáng)度等級高，延性降低，加之板厚大，拘束大，使焊縫不能自由收縮，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較大，甚至可能超過鋼材的屈服強(qiáng)度，焊接殘余應(yīng)力與外部荷載產(chǎn)生的應(yīng)力疊加。如果是拉應(yīng)力疊加，且處于雙向或三向拉應(yīng)力狀態(tài)，則不僅會使鋼材脆性增加，延性降低，而且加大了鋼材產(chǎn)生裂紋或?qū)娱g撕裂導(dǎo)致脆性斷裂的風(fēng)險。如果是壓應(yīng)力疊加，部分截面提前達(dá)到受壓屈服強(qiáng)度而進(jìn)入塑性受壓狀態(tài)，由彈性受力狀態(tài)的截面承擔(dān)外部荷載，降低了結(jié)構(gòu)剛度，對保證構(gòu)件的穩(wěn)定不再起作用，降低了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4.3.2 控制措施。先焊接收縮量大的焊縫，待收縮量大的焊縫自由收縮完全并緩慢冷卻之后，再焊接收縮量小的焊縫，以達(dá)到減小焊接殘余應(yīng)力和變形的目的;嚴(yán)格控制焊接熱輸入（不超過50 kJ/cm），降低鋼材的熱敏感，以達(dá)到不降低鋼材的塑性和韌性的目的;采用對稱焊接，使構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力和變形趨于相對平衡的狀態(tài);采用分段退焊，不僅減小熱輸入量，還可以減小焊接殘余應(yīng)力和殘余變形;焊前預(yù)熱，使鋼材在焊接過程中的溫度趨于均勻，從而減小焊接殘余應(yīng)力。

5 應(yīng)用效果

本工程鋼結(jié)構(gòu)夾層改造工程鋼結(jié)構(gòu)總重約200 t，施工工期約30 d。施工期間，通過監(jiān)測點定時進(jìn)行監(jiān)測，原有建筑結(jié)構(gòu)無變化，鋼結(jié)構(gòu)圍護(hù)結(jié)構(gòu)無裂縫產(chǎn)生，地下室頂板無裂縫產(chǎn)生，施工期間粉塵、噪聲、固體廢棄物污染少，周邊居民無投訴現(xiàn)象，改造質(zhì)量可控。鋼結(jié)構(gòu)夾層橫梁施工如圖7所示，完成的效果圖如圖8所示。

6 結(jié)語

本文以花垣縣城南保障性安居工程配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目——農(nóng)貿(mào)市場為研究對象，探討鋼結(jié)構(gòu)夾層的技術(shù)難點，分析其在老舊小區(qū)改造中的應(yīng)用。結(jié)果表明：老舊小區(qū)改造過程中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可大大減少混凝土等濕作業(yè)帶來的污染和影響，減少等強(qiáng)時間造成的居民生活不便。需要注意的是，在老舊小區(qū)改造過程中，要盡量減少對原有結(jié)構(gòu)的破壞，如減少植筋對原有混凝土及鋼筋的損壞，減少對梁柱節(jié)點的破壞，減少對防火涂料、節(jié)能保溫材料的破壞，減少對現(xiàn)有公共財產(chǎn)的破壞，完善設(shè)計審核機(jī)制，優(yōu)化節(jié)點連接方式，保證結(jié)構(gòu)合理。

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