工程施工过程中屋面行车引起的结构加固问题研究

袁巍巍，李保德

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

复合材料加固具有施工方便，形状适应性较强，强度较大，防水防腐蚀效果较好的优势，成为加固新的发展趋势[1]。结构加固是一件综合性较强的工程，需要考虑多种因素，整体进行加固的设计与施工[2]。在进行结构设计的过程中，需要考虑安全因素、经济因素、社会影响因素以及业主要求等[3]。

1 项目背景

项目建筑为钢筋混凝土裙楼结构，部分屋盖主梁构件为钢梁。在实际施工过程中出于拆除塔吊的需要，需要在屋面上行驶汽车吊，而原结构设计中没有考虑到这种情况，因此需要对结构进行结构验算进而开展加固处理工作，从而满足塔吊拆除施工的正常需求。针对汽车吊行驶过程，该文对结构进行了有限元的计算校核，并采用CFRP加固的方法对493号钢梁进行了加固处理。

2 结构建模处理分析

2.1 结构模型处理

此结构为钢筋混凝土裙楼结构，在使用盈建科建模之前，对结构的变形缝进行了统计整理，并且认为在变形缝处，相邻部位之间彼此脱开独立。当遇到变形缝的位置，变形缝相对分析位置以外的部分不进行建模。

2.2 荷载的统计及加载

在汽车吊行驶过程中，由于车辆自重较大，轮胎接触楼板会对楼板产生较大的集中力，楼板配筋较小，无法满足承载力的要求，故采用铺垫覆土及路基箱的方式，将汽车吊的荷载传导至梁上，从而对楼板起到保护作用。

在模拟行车过程中，选取六个位置作为汽车吊停车时的位置，并进行相应的内力计算。路基箱自重均布荷载为4.17 kN/m2。认为汽车吊荷载为宽度为6 m的均布荷载，其中后轴荷载作用长度为2 m，大小为10.5 kN/m,中轴荷载为12.25 kN/m，前轮荷载作用长度为2 m，大小为7.875 kN/m。

3 结构承载力验算

经验算，汽车吊行走路线中钢梁区域需进行加固处理，汽车吊起吊支撑部位混凝土梁局部需进行加固处理。论文针对汽车吊行走过程对钢梁进行分析。

3.1 结构计算的内力分布

采用盈建科软件对结构进行建模，由内力计算结果可知，出现最大剪力及弯矩的构件为493号钢梁，最大弯矩为642 kN·m,最大剪力为-305.6 kN，最大挠度为46.49 mm。493号梁钢梁截面为700×300×25×250×18×14 mm，接下来从强度、刚度、稳定性三个角度对构件进行可靠性验算。

3.2 钢梁构件的承载力验算

3.2.1 稳定性验算

在该结构各钢梁截面中，由于混凝土板对H型钢的上翼缘的约束作用，因此不存在整体失稳问题。

在该结构各钢梁截面中，最大高厚比为46，小于上式中的高厚比要求，因此构件腹板满足局部稳定要求。

3.2.2 钢梁抗弯强度验算

钢梁截面面积A=2.12×10-2m2,梁跨度为17.26 m，由截面信息，对X轴求惯性矩，其值为1.67×10-3m4,中和轴以下部分净截面对中和轴的净截面模量为W1x=5.47×10-3m3,中和轴以上部分净截面对中和轴的净截面模量为W2x=4.21×10-3m3，则截面的净截面模量Wnx=9.68×10-3m3，查阅钢结构设计规范，可知该截面塑形发展系数γx为1.05。

则由钢结构设计规范可知，钢梁的抗弯承载力Mu=γx×Wnx×f,代入数据可得，该构件抗弯承载力为1 727.8 kN·m。由内力计算结果可知，最大弯矩为642 kN·m，故构件满足抗弯承载力的要求。

3.2.3 钢梁抗剪承载力的验算

对截面进行中和轴计算可知，a=304.5 mm，即中和轴距离截面下边缘304.5 mm。则中和轴以下部分对中和轴的面积矩为S=2.24×10-3m3，则由钢结构设计规范可得，构件的抗剪承载力VQ=fvItw/s,带入数据计算得，VQ=1 774.3 kN，即钢梁的最大抗剪承载力为1 774.3 kN。由内力计算结果可知，493号钢梁最大剪力为-305.6 kN，因此，该构件满足抗剪承载力的要求。

3.2.4 钢梁挠度验算

该构件在结构中为主梁，因此最大挠度容许限值应满足l/400，该构件长度为17.25 m.故最大挠度容许限值为43.13 mm。由盈建科计算结果可知，构件最大挠度为46.49 mm，超出了容许限值，需做加固处理。

4 钢梁构件的CFRP加固

采用CFRP板材粘贴在梁下翼缘外边缘，从而增大了截面的惯性矩，起到了加固作用，具体设计分析如下：设粘贴的碳纤维板材厚度为t，宽度与下翼缘宽度等宽。由钢结构设计规范公式，计算结果见表1。

由试算结果可知，当粘贴碳纤维板材厚度为20 mm时，在行车过程中产生的挠度为45.12 mm，不满足最大挠度容许限值；当粘贴碳纤维板材厚度为25 mm时，挠度结果为43.19 mm，不满足规范要求；

表1 不同碳纤维板粘贴厚度的构件挠度计算结果

当粘贴碳纤维板材厚度为30 mm时，挠度结果为41.55 mm，小于最大挠度容许限值，满足规范要求。

由于附加了汽车吊行走荷载，对钢梁的下翼缘粘贴高强Ⅱ号CFRP条形板(碳纤维板材)补强加固。且结构处于施工尚未交付阶段，构件在此阶段初始应变较小，在此情况下，不考虑二次受力情况。

对于钢结构的加固，由于汽车吊在屋面上行驶会产生较大的压力，考虑到汽车吊行车过程中，部分位置会有较大的局部压力的存在，故在腹板双侧按构造要求设置横向加劲肋。

加固设计方案如图1所示。

经实际工程验证，当钢梁进行了碳纤维的加固处理后，在汽车吊行驶过程及起吊过程中，钢梁的挠度均满足设计规范要求，因此认为加固的设计方案是有效合理的。碳纤维加固施工过程简单，施工效率较高，且对周围环境影响较小，满足该工程对进度及质量的要求。

[1] 张凤翻.混凝土结构加固修补用片材的选材和使用[J].建筑学报，2001，31(3)：6-15.

[2] 江学良,杨 慧,孟茁超,等.FRP在土木工程结构加固应用中的研究进展[J].科技导报，2010(18)：111-117.

[3] 王 旭.CFRP加固钢结构的力学性能分析[D].吉林：吉林建筑大学，2015.

[4] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50017—2017.钢结构设计标准[S].中国建筑工业出版社，2017.