鋼框架柱豎向拼接質(zhì)量缺陷的處理

陳秀民（天津建華工程咨詢管理公司，天津 300074）

1 項目概況

某五層鋼框架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房（以下簡稱“本項目”），層高分別為 7 950 mm、3 600 mm、3 600 mm、3 600 mm 和 4 350 mm，地基基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土灌注樁，承臺連梁基礎(chǔ)，鋼框架柱柱腳采用地腳螺栓與承臺連接，首層地面下鋼框架柱采用與承臺同尺寸鋼筋混凝土澆筑。鋼框架柱截面采用箱型，截面尺寸分別為箱 600 mm×600 mm×20 mm×20 mm 和箱 600 mm× 500 mm×20 mm×20 mm。柱網(wǎng)示意圖，如圖1 所示。

圖1 柱網(wǎng)示意圖

為吊裝方便，柱分為 3 節(jié)，在工廠加工，現(xiàn)場拼接。首節(jié)和第 2 節(jié)拼接接頭標(biāo)高為 7.95 m＋1.30 m，第 2 節(jié)和第 3 節(jié)拼接接頭標(biāo)高為 7.95 m＋10.80 m＋1.30 m。拼接采用全熔透焊縫連接，焊縫質(zhì)量等級為二級（見圖2）。

圖2 鋼框架柱拼接圖

2 出現(xiàn)的問題和處理路徑

2.1 出現(xiàn)的問題

在首節(jié)和第 2 節(jié)柱拼接完畢、1～4 層鋼梁安裝和鋼筋桁架樓承板施工完成后，發(fā)現(xiàn)多個鋼框架柱拼接處錯口和垂直度偏差超過 GB 50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》要求的允許偏差值，部分二級焊縫不滿足規(guī)范要求，存在結(jié)構(gòu)安全性隱患。

2.2 確定處理程序

作為技術(shù)咨詢方，監(jiān)理方得到此信息并查勘現(xiàn)場后，提出如下處理程序，并獲得建設(shè)單位的同意和支持。

（1）委托有資質(zhì)的第三方對鋼框架柱拼接處的垂直度和接口平面偏差進行檢測，同時現(xiàn)場分析查找原因。

（2）請設(shè)計單位依據(jù)檢測結(jié)果核算、評估鋼框架柱施工中產(chǎn)生的垂直度偏差對結(jié)構(gòu)安全性的影響。

（3）提出合理的錯口加固方案及焊縫不滿足要求的處理方案。

2.3 檢測結(jié)果

經(jīng)委托有資質(zhì)的第三方進行檢測，得到如下檢測結(jié)果。

（1）垂直度偏差。鋼框架柱單方向垂直度偏差超過規(guī)范允許偏差值的有：1-C、1-D、1-E、2-A、2-C、2-D、3-A、4-C、4-D、5-C、5-D、6-C、6-D和7-C；兩個方向垂直度偏差超過規(guī)范允許偏差值的有：1-A、2-B、2-E、3-D、4-A、4-E、5-A、5-B、6-A、6-B、6-E、7-A、7-B、7-D 和 7-E。垂直度偏差超過規(guī)范允許偏差值的占到全部框架柱的 83%，垂直度偏差最大值達到 3‰。

（2）錯口偏差。柱子上下節(jié)拼接處錯口尺寸超過規(guī)范允許偏差限值的有：雙向錯口的 1-A、2-B、2-C、3-B、4-C柱，偏差值在 4 mm～5 mm 之間，以及 6-A 柱，雙向偏差8 mm；單向錯口的 1-C、1-D、4-E、5-B、5-C、6-B、6-D、7-B、7-C、7-D、7-E 柱，偏差值在 4 mm～8 mm 之間。錯口尺寸超過規(guī)范允許偏差限值的占到全部框架柱的 49%。

（3）焊縫質(zhì)量。對 24 個鋼框架柱對接焊縫進行無損檢測，檢測結(jié)果顯示，有 15 個構(gòu)件存在焊縫不滿足質(zhì)量要求的問題。

3 垂直度偏差影響分析

3.1 鋼框架柱偏差定位

根據(jù)檢測報告中測得的鋼框架柱的各觀測段上下兩端的水平偏移，定位出各柱的各觀測段上下兩端位置處的X、Y 向位置。在層高位置，根據(jù)與該層臨近的兩個量測點的位置，應(yīng)用線性插值算法得到層高節(jié)點位置處柱的 X、Y坐標(biāo)。

3.2 建模分析

使用 Midas Gen 軟件分別對無垂直度偏差的原設(shè)計和考慮垂直度偏差的結(jié)構(gòu)進行建模分析。構(gòu)件布置和尺寸、荷載和地震作用情況均按原設(shè)計模型資料執(zhí)行。對于考慮垂直度偏差的結(jié)構(gòu)，在層高位置輸入實際的偏移數(shù)據(jù)，形成柱身傾斜偏移后的結(jié)構(gòu)。

3.3 計算結(jié)果

（1）周期和振型。對于無施工偏差的原設(shè)計結(jié)構(gòu)和考慮垂直度偏差的結(jié)構(gòu)，第一階振型、第二階振型都分別為 Y方向和 X 方向的平動，第三階振型為扭轉(zhuǎn)，且二者的周期也一致。

（2）層間位移角。兩個結(jié)構(gòu)模型在多遇地震作用下的層間位移角均滿足 GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》的規(guī)定?？紤]垂直度偏差結(jié)構(gòu)的大多數(shù)樓層的層間位移角相較于原結(jié)構(gòu)有所增大，但增大的幅度很微小，表明柱身傾斜沒有對結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)移產(chǎn)生明顯影響。

（3）構(gòu)件安全性。兩個結(jié)構(gòu)的鋼梁應(yīng)力比最大值和分布基本一致，梁最大應(yīng)力比約為 0.8。本工程施工誤差導(dǎo)致的傾斜未在梁上產(chǎn)生明顯軸力，鋼梁的受力狀態(tài)相較于原設(shè)計沒有變化，鋼梁構(gòu)件的安全性可以得到保證。兩個結(jié)構(gòu)的柱應(yīng)力比分別為 0.41 和 0.46，說明尚有較大的強度儲備，柱的安全性可以得到保證。

（4）節(jié)點。兩個結(jié)構(gòu)各層的梁端內(nèi)力變化不大，增大幅度最大不超過 5%，且未超過梁端的抗彎承載力，節(jié)點安全性可以得到保證。

綜上所述，鋼框架柱的傾斜度偏差未對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，結(jié)構(gòu)在各工況下的承載力仍滿足 GB 50017－2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和 GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016年版）》的要求，加固方案驗算可不考慮鋼框架柱垂直度偏差的影響。

4 加固整改方案

4.1 工程偏差情況

根據(jù) GB 50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》，當(dāng)柱上下節(jié)拼接處施工誤差比較明顯，錯口尺寸超過規(guī)范規(guī)定的限值（3 mm）時，需要驗算其對結(jié)構(gòu)的影響，再根據(jù)驗算結(jié)果采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以滿足工程質(zhì)量要求。本項目鋼框架柱在樓層以上 1.3 m 處由兩節(jié)對接，由于工程中柱子出現(xiàn)對接偏差，改變了計算假定的直接傳力路徑，因此有必要分析偏心對柱的強度和穩(wěn)定承載力的影響。

4.2 錯臺加固方案選擇

采用鋼板補強的方法進行加固，即＋1.3 m 錯口處用補強鋼板進行過渡，使其形成較好的受力傳遞。

（1）在對接處各面采用鋼板（Q345B）圍焊加固。需要對錯口超標(biāo)的各柱的各面逐個測量，對號加工連接鋼板（不等厚），以保證加固鋼板在對接焊縫上下均與錯口柱面緊密結(jié)合，且對局部柱截面增大的影響最小，但加固鋼板的加工難度過大，精度難于保證。

（2）采用兩塊厚度不同的鋼板（薄板厚度為錯口值，厚板厚度為錯口值的 2 倍）對接焊接成一塊板，將外表面補平（見圖3），但加固鋼板的加工難度過大和加工精度難于保證的問題仍然存在。

圖3 不等厚鋼板補強示意圖

（3）在 ＋1.3 m 錯位處采用豎向密肋板補強和焊縫過渡的方法對錯口處進行加固（見圖4），使上下兩節(jié)間形成較好的受力傳遞?？紤]到焊接施工便利及受力傳遞過渡，選擇 400 mm×50 mm×20 mm 的肋板（Q345B），根據(jù)錯口尺寸進行切割裁剪至可與錯口處柱面緊密貼合進行補強，角焊縫焊接。此方法將導(dǎo)致柱截面局部增大至100 mm，影響使用凈面積，但業(yè)主權(quán)衡后予以接受。

圖4 密肋板加固示意圖

4.3 錯臺加固方案驗算

二層柱共有兩種截面：① 軸和 ⑦ 軸鋼框架柱規(guī)格為箱600 mm×600 mm×20 mm×20 mm，② 軸～⑥ 軸鋼框架柱規(guī)格為箱 600 mm×500 mm×20 mm×20 mm。運用 Midas Gen 軟件對五層框架考慮錯口偏差后模型進行計算分析并求得二層柱的軸力和柱端彎矩。選擇內(nèi)力和錯口偏差較大的柱 1-C，運用有限元軟件 ABAQUS 按照軸壓力和錯口方向彎矩最大的兩個工況進行驗算。該柱截面為箱600 mm×600 mm×20 mm×20 mm，材質(zhì)為 Q345，對接偏心位置距離構(gòu)件底部 1.3 m，構(gòu)件總長 3.6 m，偏心為東偏 8 mm，上端為自由端施加荷載，下端固接。驗算結(jié)果如表1所示。

表1 對最大軸壓力和錯口方向最大彎矩的驗算結(jié)果

計算結(jié)果表明，上下節(jié)錯口使柱的局部應(yīng)力增大，采用增加截面面積的措施可以有效地降低截面應(yīng)力。彎矩對截面應(yīng)力增大的影響極小，應(yīng)力增大主要是由承載截面面積減小引起的。采用鋼密肋板補強法能夠?qū)⒃撎幗孛鎽?yīng)力值降低并且具有較大的安全余度。

5 整改要求

5.1 對鋼框架柱接焊縫缺陷的整改要求

對于不符合要求的焊縫進行割除，清理后重新采用手工電弧焊焊接。焊接焊縫割除后，對不能采用機加工方式制作的坡口，應(yīng)按照有關(guān)技術(shù)要求，采用人工打磨制作坡口。經(jīng)過打磨制作的坡口要確保原焊縫熔敷金屬被全部清除。如果單面焊縫需處理的長度較大，必須考慮防止鋼框架柱在暫時不能“合格承載”期間變形的措施。

5.2 對鋼框架柱第 1 節(jié)、第 2 節(jié)拼接錯口處密肋板的補強要求

（1）拼接錯口處密肋板補強，應(yīng)在原焊縫缺陷整改完畢并經(jīng)第三方檢測合格后方可進行。

（2） 按現(xiàn)場鋼框架柱錯口方向逐柱逐面測量、編號，由加工廠加工對應(yīng)的成品補強密肋鋼板（Q345B），進場后由專人逐一核對，保證貼合面緊貼鋼框架柱。盡可能避免因尺寸不符而導(dǎo)致現(xiàn)場二次加工。

（3）用砂輪磨光機將密肋板所處位置的防腐面層打磨干凈，并立即對鋼框架柱和肋板預(yù)熱至 100℃～200℃，對角焊縫采用 E50 型焊條、二氧化碳氣體保護焊施焊，其左右兩側(cè)焊縫采用雙人對接焊接，每焊一道焊縫及時清理焊渣和飛濺等殘留物，并且注意每道層間焊縫的溫度不得高于預(yù)熱溫度。由于補強鋼板施焊后焊縫較多，易積聚應(yīng)力，在焊接時須用圓頭手錘在鋼框架柱側(cè)邊、肋板中間進行敲動，以使應(yīng)力緩慢釋放。

5.3 對焊接質(zhì)量的保證要求

（1）返工及補強焊接必須遵照確定的焊接工藝流程和工藝方法，施焊人員必須經(jīng)過相應(yīng)的培訓(xùn)且考核合格，不合格焊縫返工后必須重新檢測，確認其操作滿足規(guī)范要求。

（2）焊接作業(yè)區(qū)域設(shè)置防雨、防風(fēng)和防火花墜落等措施。

（3）焊接作業(yè)前認真清除焊口內(nèi)部的表面油污、銹蝕和氧化皮等雜物。

（4）加強對焊接過程的中間檢查，由項目質(zhì)量員和監(jiān)理進行旁站監(jiān)督，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并加以處理。

（5）施工完畢后及時報建設(shè)單位和監(jiān)理單位驗收，驗收合格后及時進行防腐處理，避免出現(xiàn)銹蝕情況。

6 整改效果及建議

本項目施工單位按照上述分析論證結(jié)果編制了完整的鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量缺陷整改專項施工方案，經(jīng)建設(shè)單位組織設(shè)計、施工、技術(shù)咨詢、施工圖審查單位和業(yè)內(nèi)專家進行了論證完善，報經(jīng)監(jiān)理審批后在監(jiān)理對各環(huán)節(jié)全程監(jiān)督下實施，整改后驗收合格。

反思本次鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量問題的處理過程，以下幾點可供有關(guān)參建方在施工質(zhì)量控制過程中借鑒和落實。

（1）出現(xiàn)施工質(zhì)量問題后，有關(guān)單位應(yīng)及時確定正確的處理路徑，避免扯皮，從而有效加強系列相關(guān)工作的緊密銜接，提高質(zhì)量問題的處理效率，盡可能地減少對工期的不利影響。

（2）施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行經(jīng)批準(zhǔn)的施工組織設(shè)計或?qū)ｍ検┕し桨?，落實過程質(zhì)量控制措施。這是保證施工質(zhì)量、避免質(zhì)量事故的根本。

（3）監(jiān)理只有切實履行監(jiān)理職責(zé)，加強過程巡視和質(zhì)量控制，嚴(yán)格履行驗收程序，才能避免質(zhì)量問題被延后發(fā)現(xiàn)，給項目造成更大的損失。

（4）本項目選定的鋼框架柱拼接錯口問題的處理方案是較為簡便、易于施工操作和保證補強質(zhì)量的，但同時也是對使用凈空間影響最大的。建設(shè)單位的適當(dāng)讓步給問題的解決提供了極大的便利。