某收费站节点破坏分析与加固技术

郭晶晶，陈 琛，潘宇翔，孙鹏程

（1.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014；2.南京创安结构设计事务所有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

高速公路收费站雨棚一般造型独特，特点鲜明，不仅成为城区与高速公路连通的“咽喉”，甚至承担着该座城市的门面。作为城市形象的名片，其第一印象往往会引起较大的社会关注与反响。收费雨棚一般采用外露钢结构形式，由于在维护时不能中断交通，因此多数收费站雨棚往往无法正常保养，造成了钢结构锈蚀较为明显，严重的还会对主体结构造成较大的安全隐患。

1 工程概况

某高速收费站主体结构体系采用预应力拉索钢结构体系，屋面呈弯曲叶片状，屋面为双向 H 型钢组成的空间体系，柱中跨度为 26.7 m，悬挑长度最大为 11.0 m。结构一端采用三角形变截面格构柱支承，另一端采用两根四肢变截面梭形柱通过 12 根预应力拉索将屋面与伸出屋面约 9.5 m 的两根柱顶进行斜拉。收费站原始面貌图如图1 所示。

图1 收费站原始面貌图

图2 收费站结构平面布置图（单位：mm）

收费站于 2005 年建成通车。格构柱钢柱采用钢管相贯焊接，且为坡口对接焊缝，屋面 H 型钢采用高强螺栓和焊接结合形成刚性连接，格构柱柱脚刚接（如图2 柱 1 位置），梭形柱柱脚铰接（如图2 柱 2 位置）。收费站结构整体平面布置图如图2 所示。

2 拟解决的关键问题及加固思路

加固方案需要有一个整体思路来引导，不能只着重于构件的层次。钢结构的连接在工程中有非常重要的作用，钢结构连接的好坏会直接影响钢结构工程的质量和安全［1］。针对本项目，需要解决以下几个关键问题。

1）由于收费站年久失修，存在工程质量问题较多，主要包括钢结构表面部分油漆脱落，局部关键节点锈蚀严重；屋面结构部分存在渗水、焊缝缺陷等现象，部分主要构件甚至并未焊透；柱底钢管与空心球焊缝存在明显缺陷；悬挑部分拉索松弛现象较为严重，结构稳定性较差；检测出的拉索索力已不符合设计值导致柱顶位移过大。

2）由于柱底钢管与空心球焊缝存在较为明显的缺陷，底部锈蚀较为严重，加之遭遇冰冻灾害，导致梭形柱柱底与焊接球焊缝全截面脆断，也是本项目中最为棘手的问题。由于原受力点位置负荷较大，关键杆件及节点破坏后内力重分布后情况不明，随时可能导致二次破坏甚至倒塌。柱底破坏病害图如图3 及图4 所示。

图3 柱肢底部锈蚀严重

图4 柱底相贯焊缝通长断裂

3）结构发生病害后一直处于受力状态，虽然静止状态下暂时处于稳定状态，但由于结构自重较轻，对风荷载敏感，抗侧水平刚度不够，部分拉索松弛失效，很容易发生倾覆现象。

针对以上关键问题，结合房屋安全监测报告数据，分析认为：悬挑部分整体性差、柱顶水平位移较大等问题可通过修复屋面缺陷以及对索进行再张拉得到修复或改善。而梭形柱钢管焊缝通长断裂后，钢柱仍处于原位，断口处未见明显相对位移（见图4），屋面以下结构稳定性较好，位移不明显。进而提出以下加固思路：首先对屋面及屋面以上结构缺陷进行处理，加强其刚度和整体性；再对柱底焊缝缺陷进行处理，从而完成对整体结构的加固。

按照以上思路，根据方案按实施的先后顺序制定了以下几个关键目标。

①按现场勘测情况对主体钢结构进行真实建模计算，为加固方案提供数据支持；②对屋面钢结构其他次要部位焊缝缺陷进行处理；③解决钢柱渗水锈蚀问题；④对屋面拉索进行再张拉，解决钢索松弛的问题；⑤解决柱底钢管与空心球间焊缝缺陷的问题；⑥处理屋面渗水的问题，处理锈蚀、油漆脱落问题。

本次施工中，难点及重点内容主要是对原结构主体进行顶升卸载、施工过程中的防倾覆破坏措施及卸载后对病害柱脚进行加固处理方式方法。

3 结构整体分析

按原设计结构体系及结构截面结合现场实际做法情况，建立结构计算模型，整体计算模型如图5 所示。

图5 计算模型示意图

对计算模型按国家现行规范［2-3］进行加载计算，根据实际情况，对梭形柱柱肢钢管底部焊缝整条破坏的情况，进行“删除杆件法”处理（如图6）。

图6 梭形柱柱脚焊缝破坏模拟示意图

删除柱肢杆件后，结构各方向整体振动周期如表1 所示。

表1 “删杆后”结构自振周期表

所有杆件强度应力比分布图如图7 所示，杆件稳定应力比如图8 所示。由数据可知，在梭形柱柱脚肢管退出工作后，钢柱荷载传导途径重新分布，结构中大部分杆件的应力比仍小于 0.6，少数几根杆件应力比超过 1.0，缺失钢管柱脚附近的横向杆件应力较大幅度增加。

图7 杆件强度应力比分布图

图8 杆件稳定应力比分布图

由于柱肢焊缝贯通破坏，结构内力发生重分布，加固时考虑对原有梭形柱铰接柱脚进行刚接处理。由于现场对原有相贯焊缝补强难度较大，拟采用在柱脚钢管与空心球处增设加劲肋的方法对节点进行补强，加劲肋按等面积原则进行设置。

经计算，每根钢管应设置 3 道加劲肋，加劲肋的厚度采用 18 mm，宽度 150 mm，包裹角度采用 180°。补强钢板底部用角焊缝与空心焊接球连接，使钢柱荷载通过加劲肋传递至焊接空心球，避开有缺陷的焊缝。完成加劲肋补强后，再用圆钢管对节点进行包裹并在内部填充混凝土，从而完成对柱脚节点的加固，将原来的铰接节点改为刚接做法，处理方案如图9 所示。

图9 外包钢板柱脚加固示意图（单位：mm）

图10 外包钢板施工工艺模拟

方案确定后，采用 BIM 技术对该节点进行了施工方案模拟，如图9 及图10 所示。先采用顶升系统对原有结构进行卸载，然后对原有梭形柱柱底焊接加劲肋，完成后对柱脚节点采用钢管混凝土进行包裹，最后拆除反力架完成整个加固施工。相应的原设计模型中铰接柱脚变为刚接连接，对修改后的结构模型重新计算，得到各方向自振周期如表2 所示。

经计算，所有杆件强度应力比重新回归 1.0 以内，采用柱脚约束方案后结构整体刚度加大，有良好的冗余度，屋面结构整体处于安全状态。

表2 “柱底刚接”结构自振周期表

梭形柱柱底固接后最大支座反力值轴力 693.4 kN，相较铰接连接仅增大了 4.8 KN；相应的两个方向弯矩分别为 3.091 kN·m 和 10.416 kN·m，弯矩值较小，由此可见梭形柱底部刚接对于节点区域影响不大，未大幅增加节点区域的弯矩，同时也说明焊缝破坏对整体刚度影响有限，采用“柱底刚接”方案合理可行。

4 加固方案及施工

4.1 连接缺陷处理方案及施工

对于高强螺栓缺失的情况，补充安装；对于已有的高强螺栓按终拧扭矩达到设计值的标准进行重新施扭。若重新施扭过程中螺栓发生破坏，用同规格高强螺栓进行更换。对于焊缝缺陷区域以及未焊接部位，在对焊缝附近构件表面清理打磨后，进行补焊，必要部位如焊接处垂直于受力方向处则需要进行卸载或采取分段焊接的措施，焊缝宽度及质量等级应与原设计相同。

4.2 涂装缺陷处理方案及施工

对于锈蚀、油漆脱落、母材缺陷等情况，应在对结构进行清理打磨后进行再次涂装。

4.3 构件缺陷处理方案及施工

梭形柱柱底焊缝整条破坏的原因为柱钢管在其上部未完全封闭，在使用过程中，雨水渗入钢管内部并灌满。在低温环境下钢管内部水结冰膨胀，致使焊缝破坏。加固前需在钢管靠近柱底位置打孔排空钢管内积水，对格构柱钢管所有焊缝及开口处进行检查，焊缝有缺陷处清理打磨后进行补焊封闭，开口处未封闭的或者端板锈蚀处应清理后根据情况采取补焊或者补充端板的方式进行封堵。

对于已经渗漏并锈蚀的构件，为了抑止锈蚀继续加重可采取填充灌浆料或氮气的方式隔绝其与空气接触继续发生氧化反应。

4.4 拉索缺陷处理方案及施工

本工程钢索采用 OVM 系列的 PES 5-85，破坏力为2 787 kN，原设计最大有效拉力值为 151 kN，远小于其极限值。加固是只需将其拉力再张拉至原结构设计索有效拉力值，张拉时先长索后短索，柱两侧索成对交替张拉，两柱应同步进行张拉。

4.5 柱顶焊缝缺陷处理方案及施工

柱脚处的病害处理是本项目的难度和重点，加固前首先要选择合适位置布置反力架并对原结构主体进行顶升卸载，施工过程中还要确保大棚稳定性，防止发生倾覆破坏。

本次施工时主动顶升设备采用 TPower-2 顶升系统，该系统由南京创安结构事务所有限公司自主研发，位移控制最高精度可达 0.1 mm，每一点都可独立设定位移值。顶升时采用 100 t 带自锁千斤顶，在卸载完成后及时利用千斤顶自锁装置进行自锁，确保了收费站施工过程中的稳定性。另外在卸载和施工过程中设置位移报警阀值，发生较大变形时实时预警。过程中还对梭形柱柱顶、屋面关键点进行实时位移检测，确保施工工程中大棚变形在可控范围内。由于本次卸载荷载过小，可采取手动卸载，采集油压传感器传来的数据进而判断卸载程度。顶升卸载施工图及现场做法如图11 所示。

图11 顶升卸载施工图及现场做法

根据现场情况，梭形柱由四根钢管组成，钢管间联系较弱，给卸载带来了一些难度。拟在柱脚节点以上区域采用钢连接件加强钢管间联系后浇筑混凝土作为卸载承台，每根柱采用四个自锁式千斤顶。钢结构水平荷载通过设计的限位柱传递给基础，千斤顶支撑架和限位柱采用钢结构形式。另外可以看到，采用 BIM 技术对施工方案进行模拟后，可真实还原施工过程中的条件和场地限制，对施工流程及做法提前进行把控，具有很好的指导意义。最终整个施工过程安全平稳，施工成果效果明显，得到业主的一致好评，加固施工及完成后的效果如图12 所示。

图12 加固施工及完成后效果

5 结 语

由于气温骤降且年久失修，露天钢结构容易暴露出一系列问题，例如屋面板破损严重，钢结构表面油漆脱落，甚至是钢柱脚或者梁柱主要节点域处焊缝锈蚀破坏，拉索松弛、索力损失等，某些问题已经造成了较为严重的结构安全隐患，亟待加固维修。本文结合实际工程案例，针对复杂钢结构加固设计方法及思路进行了探索，依据节点的构造特点，利用有限元软件建立分析模型，从各个角度对结构进行了计算分析，在满足国家现行规范要求的前提上，对该类型项目所采用的加固构造措施及加固方法进行了补充，旨在对同类项目的结构加固工作提供一些积极的建议。