西湖区体育场位于杭州市西湖区, 看台为钢结构支承的骨架式索膜结构, 如图1所示。看台总长度为101m, 宽度为23.6m。看台主体结构的钢结构部分为管桁架结构形式, 共有15榀平面桁架。最左端向右第4轴上的桅杆式平面桁架见图2, 其中立柱高度9.9m, 圆钢管截面?630×18。桁架前端悬挑14.27m, 在桁架上弦第5个节点处通过前拉索张拉在立柱上。后端悬挑近3m, 在端部通过后拉索张拉在立柱上。为了防止前端悬挑部分在恶劣荷载工况下发生倾覆, 后端通过拉杆锚定在基础上。膜结构为骨架薄膜形式, 通过膜夹板固定在管桁架上, 薄膜在两榀桁架之间的两端用边索张拉。

在原有设计中, 柱子和桁架上下弦的钢结构牌号为Q345钢, 而在实际施工中, 由于施工管理的问题, 构件采用了Q235钢。由于Q235钢和Q345钢的强度设计值相差比较大, 施工完成后的看台在恶劣荷载工况下可能会发生结构破坏, 有必要按实际施工状态进行结构校核, 提出可行的结构加固方案。

结构施工状态的荷载情况和初始设计所取的荷载相同。PVC薄膜重为0.01kN/m2, 钢材密度为7 850kg/m3, 按软件自动计算。薄膜预张力经纬向为2kN/m, 薄膜边索预张力取30kN/m。工程位于杭州郊区, 为B类地貌, 其设计风荷载经计算为0.72kN/m2。

采用《建筑结构荷载规范》 (GB 50009—2001) (2006年版) , 按照承载能力极限状态进行设计, 荷载工况为 (由可变荷载控制) :1) 1.2DL+1.2PL+1.4LIVE;2) 1.0DL+1.0PL+1.4WIND1;3) 1.2DL+1.2PL+1.4WIND2;4) 1.2DL+1.2PL+1.4LIVE+1.4×0.6×WIND2;5) 1.2DL+1.2PL+1.4×0.7×LIVE+1.4 WIND2。其中DL为自重荷载, PL为预张力, LIVE为活荷载, WIND1为风吸, WIND2为风压。

校核结构的最大位移时, 按正常使用状态设计, 组合分项系数均取1.0。

索膜结构采用自编软件进行找形分析, 在薄膜预张力经纬向为2kN/m、边索预张力取30kN/m的已知条件下, 分析得到与此预张力相对应的平衡状态, 作为结构在荷载作用前的初始状态。

钢结构和索膜结构整体模型的静动力分析采用SAP2000软件, 看台整体结构的计算模型见图3, 薄膜下钢结构和张拉索模型见图4。拉索两端和桁架腹杆两端铰接, 拉杆两端铰接。柱脚和拉杆固定端为刚性支座, 落地拉杆固定端为铰接支座。分析模型中各构件的单元选择如下:膜片用Shell面单元, 钢构件用Frame线单元, 前后张拉索用Cable抛物线单元。

比较几种工况下结构的最大变形, 得出最不利工况组合为工况2和工况5, 结构最大位移都发生在桁架悬挑端点处, 工况2中最大节点位移为+Z轴方向, 最大位移值为24mm。工况5中最大的节点位移为-Z轴方向, 最大位移值为45mm。最大挠度值超出了钢结构悬挑桁架的容许位移值。

通过SAP2000软件中的钢结构校核功能, 可以得到在各种荷载工况下的每根钢构件的利用率, 由校核结果可以看出, 结构中强度不满足的构件主要是截面为?630×18的下柱和截面为?245×11的桁架上弦。下柱为压弯构件, 受弯承载力不足, 最大利用率为1.06。强度利用率不满足的桁架上弦构件主要在柱端, 最大利用率为1.211, 两榀桁架间的联系曲梁也有利用率不满足的构件。所以实际施工状态的看台结构有必要对相应的构件进行加固处理, 才能保证结构的使用性能。

由于看台结构已经施工完成, 包括索膜结构和下部钢结构, 这给结构加固设计方案带来一定的难度。通过对施工现场的调研和初始设计的研究, 提出了以下几种加固方案。

(1) 碳纤维加固:在钢结构柱的外缘粘贴碳纤维布。由于柱为压弯构件, 而碳纤维能承受较大的拉应力, 承受压应力较小, 对柱的承载力提高不大。

(2) 钢管混凝土:在?630×18的立柱中灌注混凝土, 形成钢管混凝土。此加固方案对柱子的抗压承载力有很大提高, 对抗弯承载力只有一定提高, 但存在两个问题:1) 由于钢结构已施工完成, 在钢柱中灌注混凝土很难保证混凝土的密实度, 必须在灌注结束后, 进行超声波检测;2) 灌注混凝土势必在柱顶封板上开口, 灌注结束要重新对开口进行封死, 其中的焊缝对封板的承载力有影响。

(3) 钢结构柱外缘包钢构件:在柱的外壁焊接钢构件, 增大柱截面, 提高抗压弯承载力。在外壁焊接槽钢和角钢, 有棱角突起, 影响使用功能, 视觉效果也不好。故选择在外壁焊接钢板, 钢板与立柱外壁通过塞焊连接成一个整体。

(4) 钢结构柱外重新焊接Q345新构件, 以替换原有的Q235构件, 新构件的尺寸比原有构件大, 而且在节点上和其他构件焊接。该方案中原有构件基本可以视为不承力构件, 新构件即为设计方案中的Q345构件。新构件按轴线剖成两半, 到施工现场包裹在原有构件的外缘, 然后进行焊接。该方案的优点在于不用进行塞焊, 工艺较简单。

(5) 在钢结构中增加新构件, 如支撑和张拉索。

经过分析和比较, 初步选定第3和第4种加固方案, 并结合第5种加固方案, 对加固后的看台结构重新进行结构校核, 以确定加固是否有效、加固后的看台结构是否满足设计要求。

该加固方案中, 选择柱子外包钢板的厚度为15mm, 桁架上弦外包钢板的厚度为14mm, 分别由?660×15钢管和?273×14钢管切割获得。由于桁架悬挑端的位移比较大, 故所有桁架上弦杆都加固, 而不仅是利用率不满足的部分加固。

校核中结构的荷载情况同初始设计状态的荷载情况, 得出最不利工况组合同样为工况2和工况5, 结构最大位移都发生在桁架悬挑端点处, 工况2中最大的节点位移为+Z轴方向, 最大位移值为14mm。工况5中最大的节点位移为-Z轴方向, 最大位移值为38mm。分析校核后钢结构杆件的利用率, 其中柱子的最大利用率为0.782, 桁架上弦的最大利用率为0.739, 基本满足要求。两榀桁架间的联系曲梁仍有部分利用率超过0.85, 不能够满足设计要求。

从分析结果来看, 此加固方案对提高结构承载力有较大的作用, 相同荷载工况下, 和加固前的施工状态相比, 结构最大变形降低, 杆件利用率降低, 明显改善了钢结构构件的受力性能。

该加固方案中, 最终选择柱子外包新构件截面为?680×16, 桁架上弦外包新构件截面为?273×14, 材质都为Q345钢。由于钢结构已完成, 故新构件必须切割成两半, 然后在原有结构上对接焊成构件。此加固方案不需要进行新构件和原有构件间的塞焊, 工艺较为简单。校核中结构的荷载情况同初始设计状态的荷载情况, 得出最不利工况组合同样为工况2和工况5, 结构最大位移都发生在桁架悬挑端点处, 工况2中最大的节点位移为+Z轴方向, 最大位移值为12mm。工况5中最大的节点位移为-Z轴方向, 最大位移值为35mm。

分析校核后的杆件利用率, 其中柱子的最大利用率为0.659, 桁架上弦的最大利用率为0.640, 基本满足要求。两榀桁架间的联系曲梁利用率也满足要求。

经过比较分析, 确定最终的结构加固方案为立柱外包Q345新构件, 截面尺寸为?680×16, 同时桁架增加新构件, 包括张拉索和斜撑。

由于桁架上弦外包新构件比较困难, 故在每榀桁架悬挑端上弦再加一根?20的张拉索ls7, 在右端增加一根斜撑zc1, 如图5所示。张拉索的一端固定在立柱和张拉索ls1之间的交点上, 另一端过桁架第2根竖直腹杆上端, 其预张力和其他索相同。斜撑zc1截面为?180×8, 材质为Q235钢。

下柱截面加固方法中的柱脚节点尤其重要, 见图6。新构件?680×16直接贯通到混凝土基础顶部的30厚钢板处, 按照加劲板的位置先对新构件环向进行切割, 以免和加劲板位置冲突, 然后将新构件?680×16和加劲板焊接。

校核中结构的荷载情况同初始设计状态的荷载情况, 得出最不利工况组合同样为工况2和工况5, 结构最大位移都发生在桁架悬挑端点处, 工况2中最大的节点位移为+Z轴方向, 最大位移值为12mm。工况5中最大的节点位移为-Z轴方向, 最大位移值为33mm。

分析校核后的杆件利用率, 其中柱子的最大利用率为0.643, 桁架上弦的最大利用率为0.627, 所有钢构件均满足要求。

对杭州市西湖区体育场看台的索膜结构进行了加固研究, 通过结构的施工状态校核, 发现主要问题为?630×18柱子和?245×11桁架上弦承载力不满足要求。通过比较各种加固方案, 针对索膜结构的特殊性, 最终选择结构体系加强和钢构件加固相结合的加固方案。分析结果和工程实践表明, 该加固方案提高了结构的承载力和安全性, 达到了预期效果。