屈曲約束支撐加固多層混凝土框架施工技術(shù)
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徐 帥1，高向宇1，郭亞楠1，劉亞雙1，尹學(xué)軍2，李 信3
（1．北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124；2．青島科而泰環(huán)境控制有限公司，山東青島 266101；3．河北華研卓筑加固工程集團(tuán)有限公司，河北石家莊050024）
[摘要]屈曲約束支撐( buckling-restrained braces，BRB)的施工工序?qū)刂剖┕ふ`差、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖有重要作用，且影響施工的難易程度。該文通過對(duì)直連式、外貼框架式和內(nèi)嵌框架式等3種利用BRB加固既有混凝土框架加固連接方式的施工工序研究，討論了合理的施工工序，以及因設(shè)計(jì)不當(dāng)、工序不當(dāng)和工藝不當(dāng)而引發(fā)的施工問題，研究了減小安裝誤差、保證質(zhì)量的措施。以某既有多層混凝土框架的加固工程為例，對(duì)直連式施工工序和做法進(jìn)行討論。
[關(guān)鍵詞]屈曲約束支撐；施工；安裝；減震；加固；混凝土框架
[中圖分類號(hào)] TU398+．2 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)10-0066-03
0 引言
利用屈曲約束支撐( buckling-restrained braces，簡(jiǎn)稱BRB)對(duì)既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固可減少濕作業(yè)、縮短施工周期、提高結(jié)構(gòu)抗震性態(tài)水平等。同時(shí)，作為位移相關(guān)型消能器，BRB的耗能能力與軸向變形密切相關(guān)，因而安裝誤差影響較大。合理的施工工序和工藝是控制安裝誤差的關(guān)鍵，對(duì)保證設(shè)計(jì)質(zhì)量具有重要作用。
本文通過對(duì)消能部件安裝工序、工藝等的梳理和歸納，從設(shè)計(jì)不當(dāng)、工序不當(dāng)、工藝不當(dāng)和誤差控制等幾個(gè)方面對(duì)施工安裝中存在的問題進(jìn)行分析研究，提出相應(yīng)對(duì)策。
1 BRB加固連接方式
BRB同既有框架的連接方式主要有3種：直連式、外貼框架式和內(nèi)嵌框架式。直連式是利用后錨固技術(shù)將BRB直接同既有框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接；外貼框架式是在沿既有結(jié)構(gòu)外側(cè)新建一榀框架，在新建框架上安裝BRB，新建框架和既有框架用抗剪連接件連接，分外貼混凝土框架和外貼鋼框架2種；內(nèi)嵌框架式是沿既有結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)新建一榀框架，以鋼框架為主，其余與外貼混凝土框架類似。
本文建議施工安裝順序如圖1所示，其中“結(jié)構(gòu)或構(gòu)件修整或加固”應(yīng)根據(jù)基材的現(xiàn)有狀況確定是否需要執(zhí)行，外貼框架式和內(nèi)嵌框架式執(zhí)行“抗剪連接件施工和附加框架安裝施工”分支，直連式執(zhí)行“后錨固施工”分支。每完成一道工序，均應(yīng)進(jìn)行施工質(zhì)量檢驗(yàn)，確定合格后方可進(jìn)行下一道工序。
2施工工序
2.1基材清理
1)當(dāng)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度足夠時(shí)，可僅對(duì)基材表面清理、找平和放線定位。
2)當(dāng)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用局部外包鋼構(gòu)套加固處理時(shí)，應(yīng)先執(zhí)行步驟1），再安裝對(duì)拉錨筋（根據(jù)需要執(zhí)行此步），然后安裝鋼板，焊接并做臨時(shí)固定，待消能部件全部安裝結(jié)束后再注膠。當(dāng)采用現(xiàn)澆混凝土套加固時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行錨栓或錨筋安裝，再綁扎鋼筋、安裝預(yù)埋件等，最后澆筑混凝土。
3)當(dāng)采用附加混凝土框架（外貼或內(nèi)嵌）連接BRB時(shí)，先執(zhí)行步驟1），再安裝抗剪連接件，綁扎鋼筋，安裝錨筋和預(yù)埋件，支模并澆筑混凝土。當(dāng)采用附加鋼框架時(shí)，先執(zhí)行步驟1），再安裝鋼框架并做臨時(shí)固定，待測(cè)量和校正無誤后安裝緊固件。
2.2后錨固錨栓或鋼筋安裝
后錨固錨栓或鋼筋的作用是連接原結(jié)構(gòu)構(gòu)件和消能部件，在外包鋼板中設(shè)置對(duì)拉錨栓或鋼筋也起到防止鋼板翹曲的作用。后錨固錨栓或鋼筋應(yīng)先于BRB和節(jié)點(diǎn)板安裝，其施工、驗(yàn)收和維護(hù)應(yīng)按照《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
2.3錨板、節(jié)點(diǎn)板和BRB安裝
節(jié)點(diǎn)板與錨板采用焊縫連接，節(jié)點(diǎn)板與BRB的連接形式有焊縫連接、高強(qiáng)螺栓連接和鉸接連接。施工工序有先錨后焊和后錨先焊2種。
先錨后焊施工工序?yàn)殄^板（或預(yù)埋件）安裝、節(jié)點(diǎn)板與BRB連接并吊裝。先焊后錨施工工序?yàn)殄^板和節(jié)點(diǎn)板焊接并安裝、吊裝BRB并與節(jié)點(diǎn)板連接。施工工序的選擇主要考慮設(shè)計(jì)要求、施工難度、儀器設(shè)備等。施工過程應(yīng)保證上下節(jié)點(diǎn)板的中心線形成的平面與結(jié)構(gòu)構(gòu)件中心線形成的平面平行。焊接節(jié)點(diǎn)板（或連接板）時(shí)應(yīng)注意對(duì)焊縫周圍的鋼構(gòu)件降溫，減小殘余應(yīng)力和熱變形，鋼構(gòu)件四周混凝土宜劃開寬1mm、深5~6mm的裂縫，以防止鋼板受熱膨脹而擠碎周圍的混凝土。
2.4局部加固處理
當(dāng)采用局部外包鋼板加固時(shí)，如果采用先錨后焊，為了防止鋼板焊接對(duì)結(jié)構(gòu)膠的影響，鋼板與主體結(jié)構(gòu)間的灌膠連接施工應(yīng)待節(jié)點(diǎn)板與外包鋼板間的焊接工序完成后進(jìn)行。
2.5誤差控制和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)
消能部件的安裝應(yīng)嚴(yán)格控制誤差，因此每進(jìn)行一道工序均應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。后錨固施工質(zhì)量應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013 的相關(guān)規(guī)定，鋼框架、局部外包鋼板、節(jié)點(diǎn)板、焊縫、螺栓、連接板和BRB等鋼構(gòu)件的施工質(zhì)量應(yīng)符合《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》JGJ297-2013和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001的相關(guān)規(guī)定，新建混凝土框架和現(xiàn)澆混凝土套等混凝土構(gòu)件的施工質(zhì)量應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范> CB50204-2015的相關(guān)規(guī)定。
2.6涂裝工程
涂裝工程分為防腐涂料涂裝和防火涂料涂裝。涂裝前應(yīng)對(duì)鋼構(gòu)件表面進(jìn)行除銹和清理破損的底漆，再進(jìn)行防腐涂料涂裝或防火涂料涂裝，按設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
3施工中可能出現(xiàn)的問題
消能部件施工安裝應(yīng)設(shè)計(jì)合理的施工工序，選擇恰當(dāng)?shù)氖┕すに嚥?yán)格控制安裝誤差。導(dǎo)致施工問題的主要原因有設(shè)計(jì)不當(dāng)、工序不當(dāng)和工藝不當(dāng)?shù)取?
具體問題和解決方法如下。
1)錨栓（或鋼筋）間距較小 如果既有結(jié)構(gòu)梁柱截面較小，而采用直連式加固方式，此時(shí)若采用錨栓（或鋼筋）后錨固，則可能出現(xiàn)錨栓（或鋼筋）間距過小，給施工造成不便，且影響錨固區(qū)混凝土的受力性能。如果增大錨栓（或鋼筋）間距，會(huì)增大節(jié)點(diǎn)板尺寸，遇到此種情況宜改為局部外包鋼板加固法代替后錨固加固技術(shù)。
2)節(jié)點(diǎn)板或連接板擴(kuò)孔節(jié)點(diǎn)板采用高強(qiáng)螺栓連接時(shí)，易出現(xiàn)栓孔擴(kuò)孔。螺栓擴(kuò)孔主要有2個(gè)不利后果：①未擴(kuò)孔的螺栓受力增加；②BRB屈服耗能時(shí)的主體結(jié)構(gòu)層間位移要大于設(shè)計(jì)值。銷軸擴(kuò)孔的后果主要是第2個(gè)。施工中，應(yīng)控制擴(kuò)孔誤差在BRB屈服位移的10%以內(nèi)。
3) BRB安裝存在偏差 BRB安裝的核心是使BRB和節(jié)點(diǎn)板的中心線與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件中心線形成的平面平行。解決此問題的方法是工序合理、施工規(guī)范，即BRB應(yīng)最后安裝并嚴(yán)格控制施工誤差。
4)緊固件松動(dòng) 不同位置的緊固件松動(dòng)對(duì)消能部件工作的影響不同：①結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的錨固件松動(dòng)；②節(jié)點(diǎn)板上的緊固件松動(dòng)；③BRB連接段的緊固件松動(dòng)。當(dāng)松動(dòng)的緊固件數(shù)量較少時(shí)，主要影響B(tài)RB的屈服層間位移；當(dāng)數(shù)量較多時(shí)，還會(huì)對(duì)連接的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在施工中，同一部位的緊固件一般會(huì)待全部安裝就位后再逐一擰緊，所以此道工序結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，以防疏漏。
5)焊接變形 焊接變形主要由焊縫周圍鋼構(gòu)件的殘余熱應(yīng)變引起的。合理的焊接工序和工藝可有效控制焊接變形。
4 工程案例
某工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用BRB加固，人字形布置，連接方式為直連式，節(jié)點(diǎn)采用局部外包鋼板形式，在梁高度方向植入螺紋鋼筋固定局部外包鋼板，BRB同節(jié)點(diǎn)板采用對(duì)接焊縫連接。以人字形支撐上節(jié)點(diǎn)為例，具體施工工序及做法如下。
1)基材處理因原結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足，需要先對(duì)原結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震加固，梁底采用外包角鋼2 L75 x8加固，箍筋采用40 x4@ 250，做法見圖集。
2)局部外包鋼板安裝 先根據(jù)設(shè)計(jì)確定植入鋼筋位置并標(biāo)注，再鉆孔、清孔、注膠和植筋，靜置待結(jié)構(gòu)膠固化后，清理基材表面殘余的結(jié)構(gòu)膠，安裝鋼板并臨時(shí)固定，鋼板上的孔位宜根據(jù)植筋位置現(xiàn)場(chǎng)鉆孔。
3) BRB與節(jié)點(diǎn)板焊接、吊裝，再將下節(jié)點(diǎn)板切割成形與支撐焊接。利用簡(jiǎn)易起重設(shè)備吊裝支撐和下節(jié)點(diǎn)板，先放樣定位，測(cè)量校正無誤后，將節(jié)點(diǎn)板與外包鋼板焊接。再吊裝BRB，通過上下調(diào)整局部外包鋼板來調(diào)整BRB與節(jié)點(diǎn)板的位置關(guān)系，待測(cè)量、校正無誤后，將節(jié)點(diǎn)板與BRB焊接。最后將外包鋼板上的錨筋緊固。焊接時(shí)用濕毛巾對(duì)焊縫周圍的鋼構(gòu)件降溫，控制焊接變形。
4)焊接檢驗(yàn) 采用視覺檢測(cè)法和超聲波檢測(cè)法，依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》GB50661-2011進(jìn)行檢驗(yàn)。
5)注入結(jié)構(gòu)膠注膠前，應(yīng)核查緊固件施工質(zhì)量并拆除臨時(shí)固定件。采用壓力灌膠法將局部外包鋼板與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，做法見圖集。BRB的節(jié)點(diǎn)詳圖如圖2所示。
6)涂裝工程 先用鋼絲輪對(duì)焊縫附近進(jìn)行除銹，噴刷防腐底漆，檢驗(yàn)合格后噴涂防火涂料。施工完成如圖3所示。
該工程在設(shè)計(jì)上存在一些需改進(jìn)的地方，如將沿梁高方向植筋改為垂直于梁高方向設(shè)置對(duì)拉錨筋，可提高局部外包鋼板的穩(wěn)定性；將BRB與節(jié)點(diǎn)板的對(duì)焊連接改為U型槽口連接（見圖4），可減小焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度的影響等。
5 結(jié)語(yǔ)
1)屈曲約束支撐施工安裝的關(guān)鍵是控制誤差。既有多層混凝土框架結(jié)構(gòu)屈曲約束支撐施工安裝工程應(yīng)從設(shè)計(jì)、工序和工藝三個(gè)方面減小誤差。
2)在施工工序上，應(yīng)合理安排錨固件、節(jié)點(diǎn)板、連接件和屈曲約束支撐的安裝順序，減小焊接變形和施工安裝誤差。
3)在施工工藝上，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮箦^固工藝、焊接工藝以及涂裝工藝，采取措施減少焊接溫度應(yīng)力對(duì)后錨固連接或預(yù)埋件受力的影響，減小連接尺寸誤差對(duì)BRB變形的影響，保證消能部件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和耐久性。
