滨海软土地区重型工业厂房结构鉴定加固

李剑峰，田 亮，唐进华，李 想，王旭杰，张鸿驰

（1.三明三钢建筑工程有限公司，福建 三明 353000；2.城固县建设工程质量安全监督站，陕西 汉中 723200；3.西安建筑科大工程技术有限公司，陕西 西安 710055）

0 引言

沿海城市是我国最具经济活力的区域之一。东南沿海大部分城市均属于海相软土地基，随着城市化和工业化进程的加速，土地供应量相对不足，许多城市选择对滨海滩涂围海造地，提供给城市新区进行开发。

滨海滩涂属海相与陆相交互沉积地层，地层中以淤泥或淤泥质土为主，统称为滨海软土层。它是在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，经过生物化学作用形成。天然含水量大于液限，天然孔隙比＞1.0 的黏性土，其中当天然孔隙比＞1.0、而＜1.5 时为淤泥质土；当天然空隙比＞1.5 时为淤泥［1］。

考虑到矿石运输成本、靠近消费市场等因素，从 20 世纪八十年代宝钢项目开始，我国陆续在河北曹妃甸、福建罗源湾、广东湛江、广西防城港新建了钢铁工业基地。因冶金工业的特点，厂房高、堆载重、设备大，在滨海软土地区、尤其是围海造地、开山抛石等新填场地，更容易发生严重地基沉降，导致建（构）物出现安全隐患，影响生产正常进行。

本文以建于某滨海滩涂新填场地的炼钢厂渣处理和合金库厂房为例，通过对场地地质补充勘探、沉降观测、结构损伤统计、加固补强、加固后沉降监测等工作，提出沿海软土区域重型工业厂房安全可靠使用的建议。

1 工程概况

钢渣处理和合金库为不等高两连跨重钢厂房（下简称为钢渣处理厂房），总建筑面积 8 694 m2，钢渣处理跨（KL 跨）跨度为 24 m，合金库（LM跨）跨度为 18 m；纵向总长为 207 m，分一期、二期建成，平面布置如图1 所示。K、L 轴柱顶标高为 17.500 m，M 轴柱顶标高为 15.711 m。屋脊高为 18.430 m，渣跨在 1/3～1/9 轴间、1/10～1/23 轴间、1/25～1/29 轴间、1/30b～1/35 轴间跨中位置设 9 m 宽、3.1 m 高的纵向天窗。

图1 厂房建筑平面图 （单位：mm）

下柱采用双工字型格构柱，K、L、M 轴肩梁顶标高为 11.980 m，设有 800 mm 高工字型肩梁，肩梁上翼缘为 20 mm 厚、下翼缘为 10 mm 厚；K、L 轴在标高 11.980～17.200 m、M 轴在标高 11.980～15.411 m 设实腹式 H 型上柱。屋面梁采用 H 型实腹型钢梁，柱、梁间采用 M24 高强螺栓连接，梁端部加腋。天窗柱与钢架横梁采用高强螺栓连接，天窗柱与天窗梁焊接。所有刚架梁、柱、天窗架均采用 Q235B，构件间采用 E43 型焊条焊接。

厂房渣跨设有两部 50/10 T、两部 20/5 t 天车，合金库设两部 10 t 天车，天车均为 A7 工作制，轨顶标高为 13.000 m。

该厂房于 2008 年两期施工完毕投入使用，因业主更替，产能需要提升，点检发现建筑物上部严重晃动、天车卡轨溜车、排架柱倾斜、场地沉降，为确保安全，进行全面检测鉴定和加固处理。

2 现场调查及检测

根据该建筑特点，参照检测鉴定技术标准［2］制定调查检测方案，从实际荷载调查、节点构件变形破坏特点、承载能力复核、沉降及倾斜监测等四方面，对厂房结构进行分析研究［3］。

2.1 实际荷载调查

该厂房主要用途为转炉炼钢废渣送至本跨，由进行破碎、初步清理和外运；以及废钢、合金料堆放。根据工艺特点，该厂房主要存在三方面荷载异常。

1）该厂钢渣破碎方式较为落后，采用吊重落地锤击的方式，冲击振动较大，现场震感明显。

2）废钢区、合金库的材料堆积高度较大，其中废钢区局部堆载高度达 6 m，废钢粗料统计重度为 25.0 kN/m3，该区域地面堆积荷载为 150 kN/m；合金库堆放高度达 5 层，每包 1 000 kg，堆积荷载为 50 kN/m。废钢区域地面呈“锅底”状，跨中位置比柱基位置地面低 50 cm；合金库地面开裂，柱脚位置错层最大达 35 cm，如图2 所示。

图2 地基下沉导致地面开裂

3）钢渣破碎时产生较大粉尘，屋面板、天窗架和雨棚上积灰较厚。对积灰厚度进行抽测量，渣跨南坡屋面存在不同程度积灰，2～14 轴间积灰厚度达 100 mm、出现板结，14～18 轴间积灰厚度约为 50 mm，18 轴以西区域依次减小，积灰情况如图3 所示。资料［4］显示烧结厂房的积灰天然重度为 7.8 kN/m3、饱和重度为 15.8 kN/m3。

图3 屋面积灰板结

2.2 上部结构损伤

受生产环境影响，上部结构构件普遍出现较为严重的损伤。

1）该厂房主要功能为钢渣破碎、废钢堆放、合金料配运，天车均为 A7 工作制，受吊重碰撞影响，排架柱翼缘变形，个别腹板与腹板成 45°夹角；格构式下柱的斜缀条与双肢间焊接长度偏小，个别搭接长度仅 30 mm；格构式下柱双肢沿长度拼接时，个别翼缘板错位、腹板漏焊（见图4、图5）。

图4 排架下柱受撞变形

图5 排架柱高度方向拼接质量差

2）实腹式上柱和肩梁连接处，上柱翼缘与肩梁区域加劲肋严重错位、个别肩梁无加劲肋；上柱与肩梁间连接薄弱，仅采用角焊缝围焊，未设短加劲肋（见图6）。

图6 上柱与肩梁劲板错位

3）上柱与屋面刚性节点处的高强螺栓松弛剪断、节点板间出现较大缝隙，梁柱节点的刚性连接失效，变成事实上的铰接，导致梁跨中弯矩增大，出现承载能力不足的风险（见图7）。

图7 梁柱节点处高强螺栓剪断

2.3 承载能力复核

参照现场测量数据，建立结构模型。按照规范对吊车荷载组合的要求，验算单层多跨厂房排架时，参与组合吊车荷载不宜超过 4 台，按照现场吊车实际布置，按以 KL 跨为两台Q=50/10 t 吊车，LM 跨为一台Q=10 t 吊车组合考虑，此组合为当前生产中吊车荷载对排架柱作用的最大工况。

标准的 6 m 柱距抗力与荷载效应比值R/（γ0·S）如图8 所示，钢渣跨的下柱强度不满足要求；抽柱处的 12 m 柱距抗力与荷载效应比值R/（γ0·S）如图9 所示，钢渣跨 K 轴、L 轴的下柱强度、平面内稳定性两项均不满足要求，合金库 M 轴的下柱强度不足。说明在目前实际荷载作用下，排架柱处于不安全状态。

图8 6 m 跨排架抗力与荷载效应比值R/（γ0·S）

图9 12 m 跨排架抗力与荷载效应比值R/（γ0·S）

对吊车梁、檩条等构件进行复核验算，基本满足要求。

2.4 沉降及倾斜监测

该厂房建造时的测量资料已缺失，且无沉降标识点。本次对厂房上下柱的倾斜，排架柱的相对不均匀沉降、相对水平位置进行了测量。

1）排架柱倾斜测量。GB 50144-2019《工业建筑可靠性鉴定标准》的 7.3.9 条规定，有吊车厂房柱的位移限值不得超过H/1250。85 % 的下柱倾斜率超过限值要求，其中 M11 下柱的绝对倾斜量为 191 mm，倾斜率达到 1/62；约 90 % 的上柱倾斜率超过限值要求，其中 K7 上柱的绝对倾斜量为 113 mm，倾斜率达到 1/35。现场判定，倾斜的主要原因是室内堆载过大，导致地基的不均匀沉降；安装偏差也是倾斜因素之一。

2）排架柱不均匀沉降。因排架柱未设置沉降观测点，但考虑到工业厂房建成时均要求轨顶标高差异较小，因此假定排架柱肩梁的上翼缘在竣工时处于同一水平标高，本次测量以排架柱肩梁顶面作为沉降观测点，反映排架柱的不均匀沉降量。按照 GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》的规定，相邻柱基的沉降差为 0.005 L，即钢渣跨 30 mm，合金库 37.5 mm。测量表明：K 列柱有 3 处相邻沉降差超过限值，分别为 12 与 13 轴线间的 35 mm、13 与 14 轴线间的 35 mm、30b 与 31 轴线间的 46 mm；L 列的 30b 与 31 轴线间沉降差为 48 mm，超过限值；M 列的 30b 与 31 轴线间沉降差为 53 mm，超过限值。

K、L、M 列柱相对沉降观测结果均以 2 轴为参照点，其他各点处的相对沉降量均以此参照点计算而得。K 列柱最大相对沉降量为 46 mm（K-36 柱），L 列柱最大相对沉降量为 69 mm（L-31 柱），C 列柱最大相对沉降量为 70 mm（M-33 柱）。

3）排架柱的相对水平位置。现场依据定于附近小山的基准点，测量每个排架柱相对坐标位置，然后换算出柱在±0.000 mm 处的水平距离，与原设计跨度相比较，可测算出钢柱偏离程度现状。其中 KL 跨内方向、±0.000 mm 标高处，9 % 的排架柱向内侧偏移，91 % 的排架柱向外侧偏移；26 轴水平偏离值为 399 mm，为该跨最大。LM 跨内方向、±0.000 mm 标高处，3 % 的排架柱向内侧偏移，97 % 的排架柱向外侧偏移；10 轴水平偏离值为 201 mm，为该跨最大。

排架柱相对水平距离表明，大部分的 KL 跨和 LM 跨实际跨度大于设计跨度，即大部向跨外偏移；说明厂房排架柱基础变形主要受大范围堆载和天车频繁运行影响；同时三列排架柱的水平偏移坐标数据未反映出厂房整体向南（海湾方向）偏移的趋势，说明场地整体滑移量不明显。

3 加固设计处理

通过对钢渣厂房存在的问题进行归类，分析受损原因，制定加固方案；现场放样后进行实际加固处理。

3.1 损伤原因分析

1）通过现场检测，评定该钢结构厂房原施工质量偏差较大，杆件的截面尺寸不能满足承载能力要求，杆件的连接和安装存在严重偏差。80 % 的排架柱、屋面梁采用利旧杆件，如：部分排架柱沿纵向随意拼接，翼缘板下半部分采用 12 mm，上半部分采用 14 mm；梁柱节点高强螺栓孔随意设置，个别节点后期现场开孔、精度难以保障。

2）现场统计。钢渣跨 42 % 的排架柱受撞变形严重，明显影响承载能力；30 % 的排架柱存在局部撞伤。合金库约 40 % 的排架柱存在局部碰撞受损。统计显示，受碰撞受损影响的排架柱杆件占比较大，需要进行加固处理。

3）排架柱存在明显倾斜和不均匀沉降，厂房内侧场地下沉严重。该厂房原场地为沿海滩涂与山地交接区域，资料和后期补勘显示从场地标高往下依次为：①人工填土，层平均厚度为 4.30 m，以破残积土和风化石为主，局部含有块石，最大粒径为 0.50 m，含量不均匀，于 2006 年堆填而成，且未经分层压实，欠固结。②淤泥层，深灰色、饱和、流塑，含有少量腐殖质、有机质，具有少许腐臭味，层平均厚度为 20.00 m。③以下为：黏土层、淤泥质粉质黏土、泥质砾砂、卵石、泥质中砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩（松散状）、强风化花岗岩（破裂状）。强风化花岗岩埋深均在 45 m 以下。排架柱采用管径 400 mm 的预应力混凝土管桩，桩端锚入中风化花岗岩层，单桩承载力设计值为 900 kN，但厂房场地未采用桩基处理，仅进行上部换填夯实处理。在大面积堆载作用下，约束较小的场地中间区域竖向沉降严重，靠近排架柱区域沉降较轻，厂房内地面呈“锅底”状。因排架柱下管桩周围为 20 m 厚的淤泥层，土体对桩的侧向约束小，且重锤扰动较大，导致该区域的桩体出现倾斜（弯曲），上部排架柱存在沉降高差、严重倾斜现象［4-6］。

3.2 加固设计方案

根据损伤统计结果、分析受损原因后，提出加固设计方案。

1）排架柱下柱碰撞变形严重、且承载能力验算不足，采用在吊车肢柱外包钢板、内配钢筋，填灌细石混凝土方式对三列排架下柱补强加固，L 列下柱加固作法如图10 所示。该加固方式既可对下柱的承载能力进行补强，又可以提高厂房整体刚度，减小天车晃动。

图10 L 列排架下柱加固详图（单位：mm）

2）对原施工缺陷进行节点或连接加强处理。如：①上柱与肩梁连接区域，在肩梁腹板正对上柱翼缘处增设竖向加劲肋，增强肩梁整体刚度；上柱柱脚有底板的，新增 4M24 高强螺栓（如上柱柱脚无底板，可新增柱脚柱靴），提高上柱与肩梁间的连接强度。②排架柱沿纵向拼接质量较差处，对原拼接焊缝进行清理，打磨后贴板补强焊接，提高拼接刚度。③梁柱节点高强螺栓缺失的节点，应采用双螺帽高强螺栓进行补设；同时，梁底部增设梁托，提供二道防线。节点加固作法如图11 、图12 所示。

图11 上柱与肩梁连接节点加固图

图12 梁柱节点加固图

3）原钢渣跨堆渣区域仅在排架柱之间设钢梁、钢板作为临时挡渣墙，装渣车辆对临时挡墙撞击，导致排架柱出现严重倾斜。本次重新制作混凝土挡渣墙，彻底与排架柱脱离，作法如图13 所示。

图13 节点连接加固详图

4）钢渣跨、合金库整片场地（含排架柱柱基区域）采用旋喷桩进行加固处理，处理深度＞15 m，桩径 600 mm，桩间距 1 200 mm，等边三角形布置，要求处理后复合地基承载力特征值≥150 kPa。旋喷结束后，清理浮浆虚桩，铺设 200 mm 厚的砂石或密实钢渣褥垫层并夯实，要求夯填度不应≤0.90，夯填垫层处理范围宽出旋桩外径≥500 mm。

4 结论

1）滨海软土地基的厂房，大面积堆载会对厂房造成明显的、不容忽视的影响，甚至会造成厂房垮塌等恶性事故，应引起足够重视。

2）当土层中淤泥或淤泥质土厚度较大，且仅排架柱下设有预制桩时，后期使用过程中的上部扰动，容易引起桩周土层约束降低、甚至产生负摩阻力，导致长桩侧向变形、接桩节点断裂。

3）采用旋喷桩（或高压旋喷桩）对滨海软土层固化加固，能有效降低场地不均匀沉降，并对排架柱柱下预制桩提供环向约束，提升地基整体性能。

4）采用旋喷法加固滨海软土地基，固化周期相对较长，同时有附加沉降，应加强后期监测。Q