耗能支撑加固安装技术在国家奥林匹克体育中心体育场工程中的应用(附详图)-secret

耗能支撑加固安装技术在国家奥林匹克体育中心体育场工程中的应用摘要：耗能支撑加固技术是利用消能减震原理，通过在原结构上增设耗能构件，提高结构抗震能力的方法。国家奥体中心体育场工程设置了48组耗能支撑，分别与原结构及新建结构相连，通过关键构件阻尼器达到消能减震的效果。本文结合工程实际详细介绍了耗能支撑加固技术。关键词：耗能支撑，阻尼器，消能减震，结构连接0.概况奥体中心体育场东西看台底层为框架-钢支撑结构，上部为钢框架结构，抗震设防类别属于乙类建筑，抗震设防烈度为8度，建筑物场地类别为Ⅲ类，抗震等级为一级。由于本工程为改造加固工程，原结构基础及首层的框架梁柱部分保留，部分采用增大截面法加固后使用，但依靠结构自身不能满足抵抗地震荷载的需要，因此采取了消能减震的设计理念。通过设置耗能支撑体系来达到消除地震荷载的目的。共设置48组耗能支撑体系，其中沿径向布置32组，沿环向布置16组，每组耗能支撑体系由耗能支撑构件及与之相连接的钢立柱、混凝土柱梁或钢梁柱组成。1.工程特点及难点（1）耗能支撑体系安装在原混凝土结构框架内，与原结构的连接以及构件的安装均存在较大的难度。施工对策：在耗能支撑与原结构的连接前，全面分析整个过程施工中可能出现的问题，合理安排工序穿插，使整个工作有序进行，避免前道工序影响后续施工。（2）耗能支撑与框架柱结合的翼缘板为弧形，且前后翼缘尺寸基本相同，必须先安装化学锚拴，导致化学锚拴的定位难度大，精度要求高。施工对策：耗能支撑钢立柱安装前现场必须反复测量定位，以立柱中轴线和0.000m标高线的交点作为标高点建立坐标系，把每一根锚栓定位在坐标系中，避免累积误差的出现，确保了锚栓定位的准确。2.耗能支撑加固技术的原理耗能支撑加固技术是近几年结构抗震加固方法中一种先进的技术，它的施工特点就是施工工作量小，对原有建筑物的使用影响小，而且能够显著的增强原有结构的抗震能力。耗能支撑主要的消能装置就是阻尼器，地震袭来时由它来吸收大部分的地震能量，从而保证了结构的安全。3.耗能支撑的设计组成耗能支撑构件由人字撑、阻尼器（2个）、连接横梁构成，布置在一、二层，其中一层为原混凝土结构加固，二层为新增钢结构，根据所在轴线位置的不同又分为环向及径向两种，这些耗能支撑体系的自身设计情况基本相同，仅在尺寸上存在变化，但其与原结构的连接方式存在较大的不同，下面分别进行介绍。3.1首层环向耗能支撑设计首层环向耗能支撑体系安装在原混凝土结构框架内，两侧为两根加固混凝土柱，上下为原混凝土梁。两侧的钢立柱通过M14的化学锚栓与原混凝土柱相连，柱根部及顶部外包钢板箍后，再进行外包加固混凝土施工；上下的原结构梁不增大截面，采用外包钢板的方式进行加固，人字撑柱脚及连接板与外包钢板焊接连接。详见图1。XL3JGZ3JGZ3XL3YL-400x1700YL-400x1700GC1M14@200GC1拼接位置20厚钢板10厚钢板首层环向耗能支撑大样加固混凝土-2020钢板箍，其余同图13.2首层径向耗能支撑设计首层径向耗能支撑体系两侧为两根加固混凝土柱，上下为新建劲性混凝土梁。两侧的连接方式与环向耗能支撑连接方式一致，人字撑柱脚及连接板与劲性混凝土梁内的工字钢焊接后，再浇筑外侧混凝土。详见图2。XL3JGL2YL-400x1700JGZ3JGZ4XL11XDL1-450x800XL11首层径向耗能支撑大样加固混凝土图23.3二层环向耗能支撑设计二层环向耗能支撑体系两侧为新建劲性混凝土柱，下部为混凝土原梁，上部为新建钢梁。耗能支撑体系直接与新建结构连接，仅人字撑柱脚与原梁粘钢钢板焊接。详见图3。XL3YL-400x1700XGZ4GL2-13XGZ3XL3YL-400x1700YL-400x1700XGZ4XGZ3二层环向耗能支撑大样GC2GC2拼接位置-20-20图33.4二层径向耗能支撑设计二层径向耗能支撑体系一侧为新建劲性混凝土柱，一侧为新建钢柱，下部为新建劲性混凝土梁，上部为新建钢梁。耗能支撑体系直接与新建结构连接，仅人字撑柱脚与原梁粘钢钢板焊接。详见图4。XL3JGL2YL-350x1000JGL1抗剪栓钉M19@150长80mmYL-400x1700XL11GL2-10GL2-11GL2-11GL2-6GL2-11XGZ1XGZ4GL2-7(上)XL11XGZ3GL2-7(下)二层径向耗能支撑大样GC2图44阻尼器的选择4.1阻尼器的连接形式阻尼器与连接装置的结合有两种形式：一种是球铰式阻尼器，一种是法兰式阻尼器。考虑到便于安装调节的要求，本工程采用的是球铰式阻尼器。阻尼器由缸体、防尘罩、销紧螺母、两侧的开口销、吊环螺钉组成，详见图5。图54.2阻尼器的性能本工程选用速度相关型粘滞阻尼器，根据阻尼方程F=CVα，阻尼器的性能指标主要为阻尼系数、阻尼指数、最大行程和最大速度等。根据计算要求要求单个阻尼器的性能指标如下，阻尼系数设计值为850KN(m/s)-0.35，阻尼指数设计值为0.35，行程为±100mm，最大速度为300mm/s，能够提供的最大阻尼力为850KN，由于本工程要求每个耗能支撑体系要求最大力为1700KN，故每组耗能支撑体系选用两个阻尼器。5耗能支撑的施工方法5.1施工工艺流程5.1.1环向耗能支撑的施工工艺流程首层原框架梁柱剔凿、打磨→首层底部及顶部原框架梁包钢加固(首层原框架柱植入锚栓)→安装首层耗能支撑立柱→首层框架柱底部及顶部节点包钢箍条加固→耗能支撑立柱上下节点焊接→首层阻尼器及连接横梁安装→首层人字撑斜钢梁安装→首层框架柱增大截面加固→二层劲性混凝土柱施工→二层顶H型钢梁安装→二层人字撑及连接横梁安装→二层阻尼器安装。5.1.2径向耗能支撑的施工工艺流程首层原框架柱剔凿、打磨→首层原框架柱植入锚栓→安装首层耗能支撑立柱→首层框架柱底部及顶部节点包钢箍条加固→首层耗能支撑立柱上下节点焊接→首层底部及顶部劲性混凝土梁内钢梁安装→首层连接横梁及阻尼器安装→首层人字撑斜钢梁安装→首层框架柱增大截面加固→首层底部及顶部劲性混凝土梁施工→二层劲性混凝土柱及钢柱施工→二层顶部H型钢梁施工→二层人字撑及连接横梁安装→钢柱柱脚混凝土浇筑→二层阻尼器安装。5.2首层耗能支撑体系安装首层的耗能支撑安装是整个耗能支撑体系施工的难点所在，由于它是在原结构框架内安装，并和原结构发生连接关系，同时利用粘钢、增大截面等手段对原结构进行加固处理，各种工序较多，且须安排合理，受现场环境的影响，施工难度较大。5.2.1原结构梁柱表面处理首先对原结构框架柱的表面进行了剔凿处理，即要满足柱增大截面加固的要求，又要保证钢立柱安装基面的要求。因此在剔凿时要上下设一道垂直的控制线，以此来调整柱子表面的上下一致性，柱混凝土剔除厚度为10mm～25mm。为了保证钢立柱及钢板箍与原混凝土结构结合紧密，应适用风铲及角磨机对剔凿面打磨平整。5.2.2化学锚栓的安装由于H型钢立柱是通过两排间距200mm的M14化学锚栓与原结构柱连接的（如图6），整个立柱上锚栓的数量达到70多个，由于H型钢立柱的前后翼缘板尺寸基本相同，先固定立柱后则锚栓无法植入，必须先安装化学锚栓，为了与原混凝土柱结合紧密，H型钢立柱与混凝土柱结合的翼缘板加工成弧形，这给化学锚栓的定位造成了很大的难度。化学锚栓植入时，要力争做到上下竖直间距均匀，左右水平间距一致，并且植入的方向要垂直框架柱的表面。由于化学锚拴的规格是根据直径的选择配套生产的，螺杆的长度是一定的，但根据现场的实际情况，螺杆植入一定的设计深度后，外露的长度不能满足翼缘板厚度和垫片厚度的综合要求，因此我们特定了加长的螺杆。化学锚栓定位后，我们进行了现场反复测量，测量时，以立柱中轴线和0.000m标高的交点作为中心点，建立坐标系，把每一根锚栓定位在坐标系中，这样就避免了累积误差的出现，从而提高了孔位的精确度。5.2.3原结构梁柱粘钢加固耗能支撑体系在首层与原结构连接后，考虑到结构所受外力增大，原梁柱的结构将不能承担增加的外力，因此除采取增大截面的方法对原柱进行加固外，对首层柱的顶部及底部，原地梁和首层顶板梁均进行了粘钢加固。节点如图7。图6原框架柱顶部及底部加固采用的是100mm宽的钢板箍条与立柱的弧形翼缘焊接，钢板的厚度14mm厚，采用M14间距300mm的化学锚栓与原结构连接。钢板箍条分为两种，一种是被原梁隔断成四段，这种由于长度较短，施工较容易；一种是整根的，由于原结构柱剔除保护层后，柱表面参差不齐，且通过锚栓与结构连接，无法实现整根安装，因此将箍条分成三段弧形钢板进行拼装焊接，焊接后再进行锚栓固定。钢板箍条与柱面之间的缝隙按照规范的要求灌注环氧树脂胶，由于混凝土基面为弧形且经过剔凿，部分缝隙过大，已不能满足灌胶的要求，故采用灌浆料进行处理，结果表明与原结构结合很紧密。框架梁的粘钢主要指环向耗能支撑上下与原结构连接的处理，靠近梁柱节点处采用20mm厚钢板，梁柱节点区域外采用10mm厚钢板，梁两侧和底部都要进行粘钢处理，两侧还要求对穿化学锚栓。为了达到现场能够准确的安装钢板，锚栓孔位打好后，测量尺寸，并根据尺寸用三合板现场钻孔放大样，成完孔后到现场试装，符合后再拿到加工厂进行加工，这样工序上虽然繁琐，但安装质量和速度得到了保证。钢板安装完毕后，要在钢板与混凝土之间灌注结构胶。由于梁上包钢的面积非常大，结构胶的初凝时间只有40min，普通的注胶设备不能达到速度上的要求，因此采用小型气泵压力机连接多个注胶器进行灌注，在初凝之前灌注完毕。5.2.4耗能支撑钢立柱安装由于现场顶部存在原有结构，不具备吊车吊装的条件，所以立柱的吊装全部采用人力操作。环向耗能支撑立柱的重量是1.6t左右，径向耗能支撑的重量是1.9t左右，且每根立柱上将近70根化学锚栓，人力安装这么重的构件又要一一对孔，在施工上存在较大的难度，因此对耗能支撑的立柱进行了分解，根据重量，环向耗能支撑分为两段，径向耗能支撑分为三段，通过5t的手拉葫芦进行安装。由于图7立柱背翼缘板为弧形，为保证锚栓与背板垂直，两排化学锚栓的植入角度均存在向外的角度，若要满足规范要求的开孔孔径大于螺杆直径3mm,则现场将无法安装，因此我们采取的措施就是增大翼缘板上的开孔孔径，并采用采用直径为70mm的坡形垫片，在其上开30mm的孔，待钢立柱安装完毕后套上垫片，再将垫片周围与立柱翼缘采用焊接。钢立柱分段安装时应吊好垂直控制线，先安装顶部及底部两段带有节点板的构件，安装时要保证上下构件中心线对齐，之后再安装中间一段连接钢立柱，全部构件就位后，现场完成对接焊缝的施焊，经超声波探伤检验后进行，再灌注粘钢胶。5.2.5耗能支撑构件的安装环向耗能支撑完成原结构梁粘钢加固、钢立柱安装后，径向耗能支撑完成钢立柱安装、新建劲性混凝土梁内H型钢梁安装后，即可进行耗能支撑构件的安装。由于吊机无法进入楼层内进行作业，因此全部安装工作均采用导链，人工进行安装。首先将阻尼器一端通过销轴与连接耳板固定，再将阻尼器的另一端与钢立柱上预先焊接完毕的节点板通过销轴连接；将两个的阻尼器均安装到位后，再使用导链将连接横梁临时固定在上部的加固梁或新建钢梁上，将其调整至预先焊接好的限位钢板内（如图8），待调节好位置后，连接横梁与预先连在阻尼器上的连接耳板焊接。上部结构安装完毕并调平后，安装人字撑梁，采用导链临时固定，调好后将上下的对接焊缝焊好。5.2.6框架柱增大截面施工原结构柱与耗能支撑连接后，还要进行增大截面法加固，加固部分最大截面为200mm，最小截面为75mm。新增截面通过植筋的方式与原基础和原柱体进行连图8接，由于原柱体表面已进行了包钢加固，占据了一部分截面空间，主筋进行植筋时受到空间的影响，造成了非常不均匀的布置，再加上整层柱子标高范围的箍筋间距加密，给钢筋绑扎带来了极大的困难，要合理安排植筋及绑筋的顺序，避免出现无法施工的情况。由于钢立柱突出于加固混凝土，模板在安装时不能完全闭合，需采用U型箍将其固定在钢立柱上，并做好支撑。由于加固截面尺寸较小，且钢筋密集，混凝土施工也存在一定难度，为保证混凝土浇筑密实，采用调大混凝土坍落度，改变振捣方式等方法。