农村院落钢结构扩建的安全隐患整治★

杨 康

(山西省建筑科学研究院集团有限公司,山西 太原 030001)

0 引言

农村房屋一般都自带院落,随着农村生活条件的改善,人们追求舒适的生活空间,或者因经营需要,通常会在院落上方依托现有房屋承重墙及院落围墙搭建屋盖进行扩建。而钢结构因强度高、相对重量轻、施工方便、建设周期快等特点,经常会被采用,但因经济原因及技术水平的限制,相关的结构措施往往做不到位,极易产生一些安全隐患。本文以山西省中部某县三个典型农村院落钢结构扩建案例来研究探讨此种问题的常见安全隐患整治。

1 山西省中部某县三个典型农村院落钢结构扩建案例

在山西省中部某县进行农村危房检测时发现,县城周边村庄里经济条件较好的农户均在院落里扩建了钢结构屋盖,根据现场结构布置情况,推测其建造时采用的结构思路主要分为方钢焊接的整体受力的网格型钢架、若干榀桁架构成的排架受力体系、简易钢框架这三种情况[1]。下面分别以三户实际案例为代表简述这三种扩建形式的结构特点及常见问题。

1.1 方钢焊接的整体受力的网格型钢架

苏某院落东西北三侧均为砖混现浇板房屋(见图1),房主借用原三面建筑及南侧新增竖向方钢“框架”以及屋顶的水平方钢“框架”完成扩建意图,该“框架”为6×10的网格,纵横向网格间距均为1.5 m,“框架”采用80×3的方钢焊接而成。由图2可见因跨度较大,院内增设两根100×3方钢柱减少屋盖跨度。

该扩建院落主要存在以下特点:1)结构整体性差,因水平钢框三侧分别支撑于不同建筑的屋盖,且支座处采用锚栓分别固定于不同的屋顶,未采取措施释放水平位移,该扩建屋盖极易在水平外力的作用下或三个建筑及新增竖向钢框间的不均匀沉降或变形影响下产生变形损伤。2)方钢框架整体焊接成一个刚性平面,在跨中增设两个支撑点后,在自重作用下水平框架的承载力基本满足要求,但是考虑雪荷载后则钢框构件的应力比和挠度均不满足规范要求,见图3。且钢框支座处连接节点粗糙,仅采用2个M12膨胀螺丝固定于屋顶建筑面层中,节点牢固性差,见图4。3)两根竖向支撑钢柱柱脚连接随意,仅采用2个M12膨胀螺丝简单固定于地面,柱顶与钢框焊接连接,柱子整体稳固性差,见图5。

1.2 若干榀桁架构成的排架受力体系

陈某院落正房为2层砖混结构,东西房为单层砖混结构房屋,现在院落上方东西向布置5榀桁架搭设彩钢板屋盖完成扩建。具体情况见图6,图7。

该扩建房屋主要存在以下问题:1)竖向构件布置随意,部分柱支撑于原东西房屋顶,部分支撑于1层地面,部分支撑于院落围墙上方且均未在柱脚有效锚固;极易因其下支承构件的变形位移等产生安全隐患。2)构造措施缺失,易产生平面外失稳,纵向传力路径不明确。东西向采用桁架结构作为主要受力构件,钢桁架上下弦杆件和腹杆杆件均采用80×5的方钢,没有分清主次,桁架上下弦均未设置水平支撑,柱间没有柱间支撑,整体构造措施缺失,未形成受力体系。3)中间立柱与桁架中间节点不对齐,柱直接支撑于节点间下弦杆上,三角形桁架支座处节点焊接随意,仅点焊连接见图8,图9。

1.3 钢框架结构扩建

汤某院落正房为2层砖混结构,在房屋南侧院落建造2层钢框架结构房屋,钢筋混凝土压型钢板组合楼屋盖。该结构南北向采用单跨框架,东西向共6跨,在两端设置柱间钢管交叉支撑。框架柱截面尺寸为HW250×250×9×14,南北向框架梁为HN500×200×10×16,东西向框架梁为HM298×201×9×14,交叉支撑为D114×3.0,具体情况见图10,图11。

该扩建房屋主要存在以下问题:1)两层单跨钢框架结构,但柱脚仅设置4个M24锚栓,且节点构造形式为铰接,梁柱节点采用类似门式刚架节点的栓接形式,但螺栓较少,节点板连接不紧密,加劲板缺失,节点构造类似半刚接,故整体结构在横向不稳固,纵向采用钢支撑补强刚度,受力较横向好,但钢支撑截面较小,长细比不满足规范要求。2)按以上计算假定对其进行建模计算,则该建筑整体刚度不足,侧向变形超限,建筑在风荷载作用下Y向最大层间位移角为1/61,见表1,图12。且按铰接计算的梁柱截面不满足承载力要求,见图13。

2 针对以上三种扩建形式的加固整治措施

综合上述三种扩建案例的特点,它们存在以下共性问题:1)受经济及技术条件的限制,扩建方案随意,结构体系不完善,传力路径不明确。2)支撑、支座等方面构造措施缺失,无法保证构件的平面外稳定、局部稳定、结构的整体稳定等。3)节点焊接质量差、施工控制措施差,导致初始变形、尺寸误差较大,结构及构件附加弯矩等较大。4)构件截面尺寸整体偏小,满足临时支撑尚可,但结构长期使用可靠性不足,在外力作用及自身缺陷影响下容易产生安全问题。针对以上问题,根据检测报告提供的数据参数对上述三个扩建院落分别进行了安全隐患整治,整治方案简述如下:

苏某方钢焊接的整体受力的网格型钢架院落整治措施:1)增加竖向钢柱+桁架的承重体系,与原结构脱开,但可将原结构作为释放变形后的侧向支撑点以减小钢柱截面尺寸。2)新增钢柱要有可靠的基础,新增桁架要有可靠的支撑体系。3)做好新增结构与原钢框的连接,保证传力直接可靠[2-4]。

陈某若干榀桁架构成的排架受力体系院落整治措施:1)原生根于屋顶的钢柱,均采用生根于地面的钢柱替换,原桁架依然是设有四个钢柱支撑的三跨三角形桁架,对改变支座位置后导致应力比超限的杆件采用增大截面法加固,加固要考虑保证桁架对称。2)对节点处存在缺陷的焊缝进行补焊或其他补强措施。3)增设桁架支撑体系及柱间系杆及支撑。

汤某钢框架结构扩建院落的整治措施:1)对横向框架节点进行改造,考虑结构为两层,采用现浇板,节点处加固措施难以实现,在对具备条件的原节点进行补焊的同时,辅以与梁柱均铰接的三角撑来增加结构整体的横向刚度(见图14);新增钢支撑选用L100×8的双角钢,增加支撑后梁、柱及支撑构件的应力比简图(见图15)。2)对原结构长细比超限的柱间支撑进行更换;原结构采用D114×3.0的高频焊接圆钢管,采用D180×4.0的圆钢管对其进行置换。3)对2层上砌红砖墙的次梁采用增大截面法进行加固。原截面为HN200×100×6×8,拟在梁底增加50 mm×50 mm×8 mm×8 mm的T形截面,计算后应力比满足要求(见图16)。

3 钢结构扩建院落整治过程的重点及注意事项

1)整治过程中鉴定的重要性。所有存在安全隐患的农村房屋的整治均应在检测鉴定的基础上进行,根据检测数据及鉴定结论采取相应的加固措施。对于低层的砌体结构房屋,承载力可能不是加固时的关注点,更多注重的是结构的整体性加固和构造措施的补全。但对于本文中讲述的采用钢结构进行院落扩建时,业主的主要出发点是钢结构的截面小,强度大,可以实现更大的跨度,所以钢结构院落的整治,不仅是构造措施的补全,结构及其连接的承载力验算也是很重要的一部分。而农村房屋往往未经设计,或经钢结构公司简易设计,不能提供相关施工图纸。这就要求在检测过程中精确的测量构件截面尺寸,同时绘制节点连接构造,以便加固设计时能够精准地判断隐患根源,采取最直接经济的整治措施,保证整治的经济性。

2)对于农村房屋的整治,在保证安全的前提下,经济性是首先要考虑的。大部分安全隐患是在缺乏技术支持的情况下,为了经济性而导致的。也正因为如此,如果加固的经济性很差,加固费用比新建还贵时,就会导致整治工作无法推进。所以给出加固措施时,可以适当放弃美观性/空间性等需求,优先保证在经济的情况下实现结构的安全。

3)整治过程中要尽量利用原有结构,借助原有结构解决竖向构件的稳定性问题,从而减少加固成本。但要保证结构承载的独立性,不能给原结构带来安全隐患。比如可以将新增钢柱平面外与原砖墙或混凝土柱可靠连接,减少平面外长细比从而提高柱的承载力。

4)整治过程中要解决钢结构的耐久性和防火问题。很多钢构可能只有出厂时的底漆,现场安装加工或焊接后未再次进行防腐处理。而这些恰恰都是结构的关键部位,应该对防腐涂层进行修补,保证其耐久性。大部分农村钢结构房屋都没有进行防火处理,也是我们整治的一个关键点。

4 结语

农村院落作为生活休闲甚至经营的重要场所,在空间性、采光性能等方面对结构有其特殊的要求,但因技术水平及经济条件的限制,在达到以上性能的同时却往往造成安全性的损害。因此对农村房屋的安全隐患整治中要特别重视院落的同步整治,不能因为是非居住空间而忽视。