某项目结构设计回顾与工程质量问题处理
黄以庄
摘 要：本文通过对结构设计回顾和工程质量问题的处理，总结了结构设计及工程质量问题处理的方法和经验，包括钢筋桁架组合楼板、1C号建筑（动力中心）管道支架补充设计、管桩基础和钢结构施工质量问题的处理等。
某薄膜晶体管液晶显示器件生产线项目，总建筑面积337 965.5 m²，投资138亿元，由于工艺复杂（对生产环境要求十分苛刻），工期紧（边设计修改，边施工），设计和施工难度很大。结构设计历时5个多月（包括穿插初步设计1个月），才基本完成施工图设计，以后的设计修改贯穿于施工阶段的全过程。通过解决这些设计和施工难题，为今后这类项目的设计积累了宝贵的经验和教训。
1．柱网尺寸
1A厂房是本工程的主体建筑，长305.3 m，宽264.5 m。建筑占地面积81 366.6 m2（其中1A生产厂房占地面积69 986.1 m2），建筑面积247 571.7 m2（其中1A钢结构生产厂房建筑面积187 810.8 m2）。
由于工艺复杂，1A厂房柱网种类繁多，柱距尺寸从4450～14 500mm，其间还有5400、7700、9000、11 500、12 750、12 800，共8种，跨度尺寸有6500、9000、10 000、12 500、15 500，共5种。杆件数量将近3万根。如果根据工艺布置适当调整柱网尺寸，进行设计优化，减少柱距和跨度的类型，采用等柱距布置或将柱距尺寸控制在1～2种，如7500、9000（当工艺局部要求大柱距时，可采用托架过渡），则杆件种类将减少很多，可大大减少设计和施工的难度，加快施工进度。但是，由于方案设计是日方承担，我方的意见无法融入，只能留下遗憾。
2．钢筋桁架组合楼板
1A厂房采用钢筋桁架组合楼板。2010年9月5日，位于N-P/7-10轴间楼板，在砼浇注过程中发生垮塌事故，业主和质检部门对钢筋桁架自承式模板提出了质疑。我们对设计进行了复查，证明设计是完全没有问题的。现将钢筋桁架组合楼板设计介绍如下：
2.1 选用钢筋桁架组合楼板的缘由
钢筋桁架组合楼板是我国最近几年来，在汲取外来经验的基础上开发出来的一种钢结构配套新技术，经过几年的工程实践，这种新技术日趋完善，已经用于国内一些重要的建筑工程中，如：广州博物馆、杭州国际会议中心、北京中国国家博物馆、世博中国馆、天津西客站、合肥鑫昊公司PDP等离子厂房（我院设计）等。中国工程建设标准化协会批准的行业规范CECS273：2010《组合楼板设计与施工规范》已于2010年8月1日起施行。
钢筋桁架组合楼板的模板是将楼板中的钢筋在工厂中加工成钢筋桁架，将钢筋桁架与底模焊接成一体的自承式模板，承受施工荷载和湿混凝土重量，具有如下特点：
（1）工厂加工，确保焊接质量，缩短工期；
（2）减少钢筋现场绑扎工作量40%～45%，加快了工程进度；
（3）底面平整，比普通压型钢板模板降低层高约50mm，更适用于洁净厂房；
（4）底部钢模板厚度0.5mm，比普通压型钢板模板节约钢材约40%～50%；
（5）底部钢模板不参与结构受力，其抗震性能和防火性能与普通现浇板基本相同。
本工程是省市一号工程，1A厂房钢结构部分建筑面积187 810.8 m²，要求6个月完成主体工程。因此，经过多方案比较后，选用了浙江汉德邦建材有限公司生产的钢筋桁架自承式模板。
2.2 设计情况
该区楼板使用荷载13.5KN/㎡，设计情况如下：
（1）该区段楼板原设计跨度3.65m，选用钢筋桁架模板TD3-170型
支座：一端简支（A类支座），一端固端（B类支座）；
a. 钢筋桁架采用Ⅲ级钢筋，上部筋1Ф10，下部筋2Ф8。
b. 现场附加钢筋：
桁架方向：
A类支座：上部Ф8＠100（Ⅲ级），上部筋总面积Ф8＠100，503 mm2/m
B类支座：上部Ф8＠200（Ⅲ级），上部筋总面积Ф8＠200＋Ф10＠200，644 mm2/m；
垂直桁架方向：
上、下部均为Ф8＠125（Ⅲ级），上、下部筋总面积各Ф8＠125，402 mm2/m。
计算结果：在施工和使用阶段，钢筋桁架的强度、挠度均满足规范要求。
（2）设计修改后，板的跨度改为4.05m，钢筋桁架模板改为TD7-170型
支座：两端简支；
a. 钢筋桁架采用Ⅲ级钢筋，上部筋1Ф12，下部筋2Ф12；
b. 现场附加钢筋：
桁架方向：
A类支座：上部Ф8＠100（Ⅲ级），上部筋总面积Ф8＠100，503mm2/m
B类支座：上部Ф8＠200（Ⅲ级），上部筋总面积Ф8＠200＋Ф12＠200，817 mm2/m
垂直桁架方向：
上、下部筋均为Ф8＠125（Ⅲ级），上、下部筋总面积各Ф8＠125，402 mm2/m。
计算结果：在施工和使用阶段，钢筋桁架的强度、挠度均满足规范要求。
但是，施工方将钢筋桁架的型号改为TD3-170型，TD3-170型比TD7-170型承载力相差很多，如跨距4.0 m、连续1，板厚200mm的允许使用荷载TD7-170为TD3-170的1.7倍（如表1所示）。因此钢筋桁架型号的错误是发生垮塌的首要原因。
表1 TD3-170与TD7-170（板厚200mm）允许使用荷载（KPa）比较表
注：1．简支为单跨板；
2．连续1为桁架方向支座未加设负筋；3．连续2为桁架方向支座需加设负筋Ф8＠188（Ⅱ级钢筋）；4．连续3为桁架方向支座需加设负筋Ф10＠188（Ⅱ级钢筋）。
（3）节点构造
a. 对端支座要求钢筋桁架的支承长度≥50或5d（d为下弦钢筋直径）；
b. 钢筋桁架端部的支座竖筋应与钢梁的上翼缘现场焊接。
（4）其他措施
施工中，当发现已浇筑的部分端跨楼板出现10mm左右的下挠现象时，我们又发出了“关于端跨钢承板挠度较大的处理”的工程联系单，要求施工单位将A类支座（铰支座）进行焊接处理。但是，施工方一直没有实施，钢筋桁架端部节点也没有达到设计图纸上节点构造的要求，这是发生垮塌的第二个原因。
2.3 影响钢筋桁架自承式模板安全的主要因素
（1）钢筋桁架的型号（上、下弦钢筋的直径）及其材质是否符合设计要求；
（2）钢筋桁架支座的支承长度是否符合设计要求（≥50或5d，d为下弦钢筋直径）；
（3）钢筋桁架支座是否焊有竖筋，支座竖筋是否与钢梁焊接；
（4）板内现场附加的支座负筋、连接钢筋、构造钢筋是否齐全、直径和数量及其材质是否符合设计要求；
（5）钢梁上栓钉是否焊接牢靠，满足砼板与钢梁的连接要求；
（6）砼的强度及砼浇注过程中是否发生砼堆积过高而使挠度加大。
2.4 已浇筑砼楼板的处理
1A厂房钢筋桁架组合楼板，总面积120 000 m2，原已浇筑约70 000 m2。针对楼板施工中9月5日安全质量事故，我们已经对未完成浇筑砼的部分制定了整改措施，布置施工单位进行整改。对已浇筑砼的楼板，为消除楼板在使用阶段的安全隐患，按照施工后楼板的变形情况及各区域不同的使用荷载等级、钢筋桁架模板的跨度，决定采取以下加固和处理措施：
（1）对楼板变形明显，板底挠度≥L/150和20 mm者，板底加设钢次梁HM300×200×8×12，将单向板变为双向板，以提高板的承载力，加固数量待现场测定后再定。
（2）对使用荷载≥20KN/㎡的区域和跨度≥3300 mm的板，在边跨的板底加设次梁HM300×200×8×12。
（3）对设备荷载局部集中的作用点，板底加设次梁HN300×150×6.5×9。
（4）对主要工艺设备搬运通道，由于设备单台重量达21t，在通道范围内，加设板底钢梁，加设方案待工艺条件最终确定后再定。
（5）选择典型板块进行楼板现场载荷试验。
2.5 楼板载荷试验技术条件
（1）载荷试验区设计概况：
在载荷试验区域内，钢筋桁架楼承板采用TD3-170型。支座：一端简支，一端固端；钢筋桁架采用Ⅲ级钢筋，上部筋1Ф10，下部筋2Ф8；
（2）楼面试验使用荷载：13.5 KN/㎡～20.0 KN/㎡。
（3）试验点布置：共布置4个试验点，其中2个点作集中荷载试验，2个点作均布荷载试验。
（4）试验荷载：最高加载重量为设计荷载×1.3。
（5）加载控制：在加载过程中，当板的变形达到L/200时（L-板的跨度），应立即停止加载，并记录此时的加载等级，并及时反馈到项目管理公司和设计院研究处理。
（6）加载等级：由试验单位确定。
（7）安全事项：
a. 本次载荷试验不作破坏试验，在试验过程中，要严格控制加载速度和每次加载重量，预防楼板产生过大的变形或破坏。
b. 在试验过程中，要注意观察钢梁的变形，预防楼层产生过大的变形。
c. 在试验过程中，要注意做好已施工的成品保护。
d. 在试验过程中，要注意做好自身的安全防护，特别在遇洞口时。
试验结果，钢筋桁架组合楼板的变形很小（达到设计荷载×1.3时，楼板的挠度小于5 mm），承载力完全满足设计要求。
但为了施工的安全，建议在以后的新项目设计中，钢筋桁架自承式模板的型号宜按设计提高一级。
3．1C号建筑（动力中心）管道支架补充设计
3.1 原设计情况
1C号建筑为动力中心，荷重较大的冷冻站布置在二楼。由于土建施工图设计时，因设备未定而无法进行管道支架的设计。在原结构施工图设计中，荷载取值如下：
（1）二层为冷冻机房，楼面设计荷载（设备荷载和使用荷载）为：
板和次梁取值：15 KN/㎡，主梁取值：7.5 KN/㎡。根据现选用的设备，二层每开间布置2台冷冻机（每台最大重量29.5t），实际等效均布荷载为：
次梁：12.5 KN/㎡（含使用荷载2.0 KN/㎡）；
主梁：7.5 KN/㎡（含使用荷载2.0×0.7=1.4 KN/㎡）；
原二层设计荷载取值满足实际设备荷载和使用荷载要求。而管道荷载则按全部由柱子承担（一层柱子砼标号C40，二层C30，柱和基础留有一定富余）设计。
（2）屋面荷载：2.0 KN/㎡～15 KN/㎡，见屋面荷载分区图。
按以上荷载计算，原柱、梁、板、基础配筋均满足规范要求。
3.2 补充设计情况
根据现场实际选用的设备荷载、管道荷载换算为等效均布荷载，取值如下：
（1）二层设备荷载和使用荷载：按原设计未变。
（2）二层管道荷载：主管道按实际位置布置，同时加2.0～4.0 KN/㎡均布荷载满布；在7～8/D～F区间按12.0 KN/㎡均布荷载满布；
（3）夹层8～9/D～E区间按12.0 KN/㎡均布荷载满布；
（4）一层管道荷载：按3.0 KN/㎡均布荷载满布；
（5）屋面荷载：除G～H跨按实际调整为10 KN/㎡外，其余屋面按原设计2.0 KN/㎡～15 KN/㎡未变。
根据上述管道荷载数据，对管道支架重新设计，将一、二层管道支架各按一层钢架设计，并采用化学植筋的方法，将管道支架的荷载传到砼框架柱和地梁上。
根据以上荷载数据和原砼框架梁、柱布置及截面尺寸、管道支架平面布置进行计算的结果：原砼框架柱、梁、板配筋均满足规范要求，管道支架各杆件应力值均满足规范要求。
3.3 基础梁验算
基础梁在一、二层管道支架传来的荷载作用下，考虑地板的作用按T型截面计算，基础梁的配筋基本满足要求。由于地坪和地基梁下厚度2.000～3.000 mm的回填土层已经分层回填压实（压实系数0.95），地基梁可以按弹性地基梁计算。
3.4 施工要求
（1）必须按施工图的要求施工
为了确保建筑结构和管道支架的安全，管道支架必须严格按照我院补充施工图的要求施工，如个别地方设计图纸与现场实际情况不符时，应通知设计和监理单位现场处理。
（2）必须确保化学锚栓的施工质量
由于管道支架荷载由柱子承担，故化学锚栓的数量较多，对化学锚栓的质量要求也较高，施工中必须确保质量：
a. 植化学锚栓时，严禁打断柱内主钢筋，不得损伤原砼柱；
b. 采用符合规范要求的A级化学胶；锚栓的性能等级不低于5.6级，抗拔和抗剪强度不低于材料本身的设计强度；
c. 化学锚栓的植入深度在保证满足上述强度要求的前提下不少于10d（d—锚栓直径）；
d. 二层砼柱上采用化学锚栓固定的钢板，应全部采用A级胶粘剂注胶填实（先将砼柱表面吹扫干净）。
（3）必须确保管道支架施工质量
管道支架施工时，必须确保杆件截面型号和尺寸的准确性、焊缝高度和焊接质量的可靠性、节点构造的合理性。管道及支架安装完成后，施工方必须先进行自检和整改，而后进行验收，待全部验收合格后，才能进行 D720×11以上管道的满水和压力试验。
总结1C号建筑的设计经验，主要有：
（1）凡有冷冻机房上楼的建筑，冷冻机房楼面的荷载取值宜不小于25.0 KN/㎡，主梁取值宜不小于20.0 KN/㎡，这样，管道支架的荷载（最大荷载的区间达到10.0 KN/㎡～12.0KN/㎡）就可以直接传到楼面梁上，简化管道支架的节点构造，减少化学锚栓的数量。工艺条件容许时，大型冷冻机房宜布置在一层。
（2）管道支架由于荷载很大，应按管道布置的实际情况，详细计算管道荷载，并按一层钢结构体系参与建筑物结构体系共同工作。
（3）在管道布置十分复杂，应在建筑结构施工图设计的同时，进行管道支架设计，有条件时，应绘制管线三维图，以避免管线与管道支架打架。
4．工程质量问题处理
4.1 管桩基础断桩处理
（1）补桩：在有条件时，在靠近断桩处补桩，补桩与原有桩的间距可减少，桩承台相应加大，配筋重新计算。
（2）桩内灌砼柱：当没有条件补桩时，只能直接对断桩进行处理。就管桩而言，常采用桩内灌砼的方法处理。D500桩，壁厚100，桩内砼柱为D300，经计算，其受压强度与管壁基本相同。钢筋笼的长度应穿过断桩截面1000 mm，砼宜掺适量的膨胀剂，标号可采用C30，不必与管桩相同。
4.2 桩和承台移位的处理
（1）当桩移位距离较少，或者桩向承台外移位时，可以不补桩，但承台需要加大，保持柱中心线位置不变；
（2）当桩移位距离较大（当地基土有淤泥层时，桩和承台很容易出现较大移位现象），或者桩向承台内移位较多时，需要补桩。
4.3 基础短柱偏位和框架柱上下接头处偏位、烂脚的处理
（1）基础短柱偏位的处理：采用植筋方法加大短柱截面，确保柱脚螺栓中心至短柱截面外边沿的距离不少于4d（d—柱脚螺栓直径）和150 mm。
（2）框架柱上下接头处偏位、烂脚的处理：采用植筋方法（外包钢筋笼）加大下柱截面，浇筑高一个标号的砼。
4.4 柱脚螺栓偏位的处理
（1）采用植筋方法加大短柱截面和柱脚钢板尺寸（新加钢板与原柱脚钢板等厚度，坡口焊），重新埋设螺栓，增设柱脚加劲钢板；
（2）柱脚螺栓扩孔处，在螺栓四周进行塞焊并加焊柱脚加劲板。
4.5 钢屋架侧向弯曲变形和屋架端部上下错位的处理
（1）松开所有屋面纵向梁，利用跨中一根屋面纵向梁调直屋架，然后再安装其他屋面纵向梁，对原有屋面纵向梁无法用螺栓连接时可采用焊接；
（2）屋架端部上下错位必须把原焊缝切开，再用千斤顶校平后重新焊接。
4.6 柱内灌砼压力过大造成鼓肚、焊缝开裂的处理
（1）采用L180×18角钢将焊缝开裂处和四角进行加固，在柱上下端和柱中原有加劲肋处采用槽钢围焊定位；
（2）外面围焊12 mm厚钢板，在外围钢板焊接前，应刷好油漆，做好内部的防腐处理。
4.7 主梁-次梁腹板螺栓孔扩孔的处理
（1）腹板螺栓承担梁端剪力，一般情况下不容许随意扩孔，如安装时连接板的孔洞与梁上的孔洞不对中时，应重新换新的连接板；
（2）当安装时已将腹板螺栓孔扩孔，则应采取焊接补强的方法，将连接板四周与腹板焊接。
4.8 钢梁截面或刚度需要补强的处理
（1）采用梁下焊接T型钢的方法补强，T型钢的两端与主梁采用钢板焊接。T型钢宜选购热轧T型钢，不宜采用热轧H型钢现场分割（现场分割的H型钢因未消除内力很容易弯曲）。此法焊接量较大，且均为仰焊，焊接质量不易保证。焊接前，应设置临时支承，将梁顶紧。
（2）采用梁下螺栓连接的下沉式桁架补强，桁架杆件可采用热轧H型钢地面焊接成形，而后再吊装。
以上两种方法，均需进行抗剪验算，将梁端进行焊接加固，以满足梁端的抗剪强度要求。
4.9 设备需要增加层高、钢梁截面高度需要降低的处理
钢梁截面高度降低，可通过计算，改变梁的翼缘宽度或厚度而达到等强，容许增加立柱时，可在跨中增加立柱，减少梁的跨度。施工时，需要将下翼缘钢板分割成两块，先焊在梁的腹板上，并在腹板上增设一定数量的加劲板，而后再切割原来的下翼缘和多余的腹板。此法施工时应设置临时支承，将梁顶紧，以保证施工时结构和人员的安全。
5．问题研讨
5.1 柱脚构造
本工程中1A厂房（多层钢框架结构），采用螺栓刚接柱脚。由于施工中，柱脚靴板与柱的焊接焊缝高度不易保证，因此宜适当加高柱脚靴板的高度是必要的，一般不小于300～350mm（计算确定）；对柱脚螺栓容易偏位的情况，也可以采用外包式柱脚（受力可靠，但钢柱的埋入深度较长，用料较多，施工亦较繁杂，工期较长）。
5.2 基础短柱
（1）由于施工中，为了安装柱脚螺栓的方便，基础短柱与桩承台采用二次浇灌，因此宜适当加高基础短柱，保证柱脚螺栓的锚固长度，一般基础短柱的长度不宜少于1000 mm，桩承台标高可相应降低。
（2）由于基础短柱容易偏位，因此宜适当加大短柱截面尺寸是必要的，以保证每边螺栓至短柱边的尺寸大于4d及150 mm，建议大于200 mm。
5.3 地坪
（1）为了方便施工，并提高一层地坪的抗微振性能，采用桩支承的结构地坪的厚度宜适当加厚，可采用400～600 mm，上、下层配筋Φ14～Φ16＠100～150。
（2）对紧邻生产厂房的办公楼、南北机械室的地坪，由于地质条件相同，亦可以和生产厂房一样采用桩支承的结构地坪，地坪厚度可采用250 mm，但要考虑重型设备基础的荷重和埋深。
（3）地坪桩桩顶标高较高，施工中很容易被施工机械碰断，因此可适当降低地坪桩桩顶标高，宜控制在－1.000 m左右较好。
5.4 多层砼框架结构（办公楼）
宜改二柱为三柱，有利于抗震。
5.5 采用钢筋砼柱与钢屋盖结构体系（LCM）的厂房
由于柱顶埋件很多，宜改为钢框架与轻钢屋盖结构体系的厂房。
5.6 钢屋架
（1）当工艺条件允许时，宜加大屋架的高度，屋架跨中的高度宜控制在L/12～L/15（L—屋架跨度），以减少上下弦杆件的截面尺寸，降低用钢量。
（2）屋架的端节点：原采用刚性节点，屋架端部应力较大，因此也可以采用铰接节点。
（3）钢屋盖的檩条间距宜由3.0m改为1.5 m。
5.7 钢天沟
钢天沟的支承梁原设计采用2根H钢梁，施工不方便，如有可能将支承梁与天沟合一则可以大大简化天沟节点构造。
5.8 箱型钢柱
（1）加密箱型柱内的加劲横隔板间距，以2000mm为宜，并控制柱内灌砼的灌浆压力，700～900 mm的方柱，灌浆压力不应大于9～10 MPa，以免造成鼓肚。
（2）箱型柱在梁柱节点处采用柱贯通式时，比梁贯通式节点要简单，梁的加腋数量少，但要求施工单位的加工能力较强。采用梁贯通式时，受力可靠，但梁的加腋数量多，材料用量较多。
（3）有条件时，可采用冷板卷制的箱型钢柱（只有一条焊缝，受力性能更好），或采用双向H型钢柱框架结构（外包防火板或LCM墙板，防火性能更好，但施工工期较长）。
参考文献
1．钢结构设计规范 GB 50017—2003
2．高层民用建筑钢结构技术规程 JGJ 99—98
3．建筑抗震设计规范 GB 50011—2001（2008版）
4．组合楼板设计与施工规范 CECS 273：2010
（黄以庄，设计大师，教授级高工）
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
