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某廠房加層改造設計及改造前檢測

TIME:2018-07-11   click: 127 次
本文通過實際案例講解廠房加層改造前後,檢測內容、檢測項目,以及如何參考檢測結論進行改造加固設計,由於原文內容過多,在此簡約介紹。
 
 工程概況 
某化工廠綜合管廊位於上海市某某工業區內。管廊分多次建成,建築年代有1975年、1984年、1995年等,部分管架曾進行過改造。管架主要為混凝土結構,部分大跨度區段采用鋼結構桁架。目前,某化工廠擬對管廊進行結構加固改造,對結構進行全麵的檢測和加固處理。
 
擬改造管廊總長約為1325米,管架鋪設的管道有氨氣管道、醋酸管道、蒸汽管道等。管架基本為排架結構,每榀排架平麵內,中間連接橫梁均為鉸接,縱向柱距為12m時,縱向連接構件基本用工字鋼連接,當跨度為15m和18m及以上時,使用混凝土或鋼桁架連接。
 
排架高基本為6m~10m,管道每層高基本為1.5m~2.5m左右,平麵內跨度分為:2m、2.5m、4m、5m、6m等幾種,縱向跨距有:2m~7m、12m、15m、18m、19m、31m等幾種。柱截麵除改造過的截麵外一般為:350mmx350mm、350mmx400mm、400mmx400mm等三種。橫梁斷麵一般為:250mmx350mm、250mmx400mm、250mmx500mm及型鋼梁等。
 
混凝土牛腿離柱頂距離基本為2m左右。混凝土標號:80年代以前的預製構件為300號、現澆的為200號、基礎為150號,80年代以後的預製構件為C30、現澆的為C20。基礎基本為現澆的杯口聯合基礎,部分柱柱距離較大的采用獨立基礎,基礎埋深為1m~2m,地基承載力設計值據勘察報告可得為100kPa。
 
 
 檢查檢測結果與分析 
01 檢查檢測概況
在有關單位配合下,對管廊既有結構進行了較為全麵的複核檢查及檢測。主要工作內容包括:全麵檢查結構布置,檢查結構構件的外觀缺陷及裂損,測定傾斜情況,測定混凝土構件強度等。
 
檢測結果顯示:大部分混凝土管架柱出現縱向裂縫、鋼筋及柱間鋼支撐鏽蝕,部分梁、柱節點失效。
 
02 檢查檢測結果
1)構件裂損、缺陷檢查:
現場檢測發現:由於該管廊各個單元建築年代不同,各單元的裂損情況也不相同,70年代建造的管架裂損情況比較嚴重,80年代以後建造的管架情況較好。並且,由於該管架處於化工廠內,受腐蝕性氣體侵蝕比一般情況下嚴重得多,導致該管廊所有鋼結構柱間支撐、鋼梁及各種連接節點的埋件和連接件都有不同程度的鏽蝕情況。
 
從現場檢測情況看,部分混凝土管架柱、梁及桁架混凝土保護層剝落情況比較嚴重(尤其是混凝土牛腿附近),因此導致鋼筋鏽蝕較嚴重,個別部位箍筋斷裂失去作用。各柱間支撐及水平支撐等鏽蝕嚴重,部分支撐失去承載能力。部分柱、梁連接節點也因為鏽蝕基本失去連接作用。
 
縱向跨度15米以上柱間均設置混凝土桁架或鋼桁架,其中混凝土桁架采用標準圖集《鋼筋混凝土桁架式管架通用圖》(HG21252-93),桁架構件截麵較小,現場檢查發現桁架杆件存在大量裂縫、露筋、鋼筋鏽蝕情況。腹杆裂縫寬度一般小於或等於0.2mm,尚在允許範圍以內;個別裂縫寬度達到0.4mm,超過設計允許範圍。個別桁架與柱連接處拉裂,連接件鏽蝕、裂損嚴重,甚至失去連接作用。
 
2)桁架檢測:
現場使用水準儀對部分桁架的撓度進行測量。結果顯示,桁架撓度值均較小,部分桁架變形值為正(即向上),向下變形最大值28.6mm,相當於跨度的1/629,符合規範要求。分析認為,主要是由於桁架承受荷載較小,由此產生的撓度較小。
 
現場檢查發現,個別桁架連接件拉脫、拉裂。對桁架兩端牛腿標高進行測量後分析,被拉脫桁架兩端牛腿差異沉降較大,最大相鄰牛腿高差達149mm,不均勻沉降是造成桁架拉脫、拉裂的主要因素。
 
3)地基處理監測調查:
管架所處場地類型為上海地區IV類場地,采用獨立基礎,基礎埋深約1.5米。基礎混凝土設計強度為150號(相當於現行規範混凝土強度等級C13),部分基礎混凝土強度為C20。
 
從柱子傾斜測量結果來看,基礎傾斜量都較小,在規範允許範圍內;從牛腿標高測量結果分析,個別基礎差異沉降較大,造成桁架連接件拉脫、拉裂,影響到結構安全。
 
03 檢查檢測結果分析
現場檢查發現,管架周圍釋放的蒸汽很多,工廠內氨氣、醋酸氣味很濃,表明管架結構處於濕度大、酸性高的環境下。
 
1)混凝土碳化分析:
現場檢測發現,大部分管架柱混凝土碳化深度均大於6mm,碳化現象嚴重。由於管架周圍空氣呈很強的酸性,構件混凝土內水泥石中的氫氧化鈣與空氣中的酸性氣體在適當的溫度條件下發生化學反應,生成碳酸鈣和水,使混凝土中性化(即混凝土碳化),碳化作用時,還會引起混凝土收縮,混凝土表麵在碳化過程中產生微裂縫,從而混凝土失去對鋼筋的保護作用。
 
2)鋼筋鏽蝕分析:
現場檢測發現,敲除開裂混凝土後,構件鋼筋均有不同程度的鏽蝕。由於構件表麵混凝土碳化,在潮濕環境(有氧)環境下構件內鋼筋表麵發生電化反應,引起鋼筋鏽蝕。鋼筋鏽蝕後體積膨脹(鏽蝕體積膨脹2~6倍),導致混凝土順筋開裂。
 
現場鋼結構桁架及支撐鏽蝕嚴重,部分構件已被鏽透,由於鋼構件處於大氣中,表麵保護油漆局部遭到損壞後,同鋼筋鏽蝕一樣,大氣中酸性氣體和空氣中水生成無機酸使構件表麵發生電化反應,引起鋼構件鏽蝕。由於鋼構件是直接裸露在大氣環境中,鏽蝕比混凝土中鋼筋嚴重的多,很多構件已被鏽蝕透。
 
鋼筋的鏽蝕量與鋼筋的材性密切相關。隨著鋼筋的鏽蝕量的增加,鏽蝕鋼筋的屈服強度降低,鋼筋與混凝土之間的粘結強度也呈明顯下降趨勢。當鋼筋的鏽蝕量大於15%時,應及時更換鋼筋。
 
當鋼筋鏽蝕麵積達到或超過30%~40%時,應進行加固處理。同時,鋼筋鏽蝕還將導致鋼筋附近混凝土材料性能的劣化。該管架鋼筋鏽蝕約達到15%,需要對鏽蝕鋼筋進行處理,結合管廊的加固層改造,對該管架進行加固處理。

 
 加固改造設計 
01 加層設計
管廊一般由固定管架、活動管架(一般分為剛性、柔性、半鉸接活動管架)、管道、補償器等組成,承受荷載主要有管道產生的水平縱向荷載(由管道摩擦力產生)、風荷載、垂直荷載。
 
該化工廠管廊改造設計工程,柱和基礎連接形式為固接,梁、柱連接平麵內為鉸接連接,平麵外為自由(無縱向梁連接時)或鉸接(梁或桁架連接時)連接。
 
活動管架為剛性管架時,縱向水平荷載為管道摩擦力。由於管架剛度較大,不能適應管道變形的要求,管道因變形與管架出現相對位移,而產生的水平力即為管道水平摩擦力。

管道水平摩擦力大小還要考慮管道之間的互相牽製作用,當管架上敷設多根管道時,各管道之間由於不同時工作(產生的溫度內力不相同),對管架的受力和位移會產生牽製作用。

牽製作用的大小與管道在管架上的布置方式有關,管架上管道根數越多牽製作用越大、常溫管道的質量所占比例越大牽製作用越大、管道中介質溫度高和溫度低的,質量大的和質量小的,其排列越對稱、越均衡牽製作用大、雙層管道的管道牽製作用比單層管道大、高溫管道偏設一側時牽製作用小、管道同時起動時牽製作用小。
 
固定管架還須考慮管道補償器的彈性變形引起的水平推力,管道水平推力由管道專業提供。管架柱、基礎因在平麵內、外兩個方麵都有受力,所以一般按雙向偏壓受力考慮計算。
 
02 加固設計
由於管廊加層改造後,設計荷載大大增加,原有結構的承載能力遠遠不足,須對原管架進行加固設計。加固設計過程時,須考慮和原結構的共同受力和原結構因裂損帶來的承載力損失等問題。
 
該化工廠管廊加固設計時,考慮現場情況(由於管道正處於使用中,管道無法挪動),對管架柱頂有管道不便設節點的管架,在柱上端側麵加設混凝土牛腿做新增管架的支點。在原管架柱頂無管道處,柱頂設置節點(鉸接連接),新增管架通過該節點傳遞新增荷載,這樣處理主要好處就是不會讓新增荷載對原結構產生偏心矩,對加固設計來說是最有利的一種連接方式。
 
原管架柱側麵增加混凝土牛腿做新增管架支點的方法,應考慮新增荷載對結構產生的偏心矩,並且在柱頂原管架柱和新增管架柱間需再設置一道連接,這樣可以減少新增柱的計算長度,在原結構柱上端平麵內加設一道水平係杆以增加平麵內穩定並傳遞新增水平荷載。方案簡圖見下圖:
 
縱向跨度較大的管架(15米及以上)因為總荷載增加較大,基礎荷載大大增加,承載力遠不滿足要求。並且因原基礎底麵積已經較大(4mx4m左右),如果考慮增加基礎底麵積加固,基礎高度增加太大。
 
因此,該工程采用基礎壓樁加固,壓樁樁長為18米左右,每節長約2~3米。原混凝土基礎按承台考慮,不足處再進行加固處理,驗算承台時,須考慮承台的抗拔能力。縱向跨度較小管架基礎根據荷載增加大小對原基礎擴大截麵處理。
 
考慮到荷載增加較大,加固部分和原有基礎協同作用能力的折減,該管架基礎加固時,考慮在新舊結合處加設暗梁加固,暗梁加設在獨立基礎四周,可以提高基礎承載能力。擴大截麵處理時須對新舊結構的結合處進行專門處理,如增加接合短鋼筋、鑿毛結合麵等保證結合牢靠、共同受力。

 
 檢測加固設計結論 
該化工廠既有管架,增加兩層管道,荷載增加較大。通過現場檢測、計算分析,有以下幾點結論:
1)混凝土開裂、鋼筋鏽蝕引起結構承載力嚴重下降,包括鋼筋與混凝土粘結力下降、鋼筋鏽蝕使混凝土內部產生相當大的拉應力、鋼筋應力腐蝕導致結構延性下降,需對結構進行加固處理。
2)新增部分管架設計時須全麵考慮各種管道荷載,包括管道和活動管架的水平摩擦力、管道補償器的彈性變形引起的水平力、不同管道之間的水平牽製力。
3)原有管架加層改造時,要采取合適的加固方案,對新舊結構連接節點需進行特別處理。