某廠房抽柱研究——120 m 大梁的設(shè)計(jì)與施工研究

章燕飛

(攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川攀枝花 617023)

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的軋鋼廠房，從使用功能、經(jīng)濟(jì)方面考慮，對(duì)于軌頂標(biāo)高為20 m、橋式吊車噸位在20 t 左右的廠房，設(shè)計(jì)一般取柱距為12 m。隨著產(chǎn)品的升級(jí)，軋制品已由25 m 變?yōu)?00 m。為了滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求，經(jīng)工藝研究決定后提出了一個(gè)過跨方案:在一列軸線要抽掉九根柱，使柱距達(dá)到120 m。由于新產(chǎn)品暢銷，甲方要求盡量不停產(chǎn)或少停產(chǎn)，或盡可能縮小停產(chǎn)范圍。這樣就提出了一個(gè)長120 m 大梁在不影響生產(chǎn)的條件下的設(shè)計(jì)及施工問題，本文就此問題的解決過程和一些想法與同行商榷。

1 工程概況

該廠房竣工于20 世紀(jì)60年代末，共五跨，平面尺寸(寬×長):135 m×504 m，軌頂標(biāo)高20 m，跨度27 m，每跨有3 臺(tái)、起重量為20 t 的橋式吊車，廠房柱為鋼筋混凝土斜腹桿雙肢柱，吊車梁為腹式預(yù)應(yīng)力吊車梁，屋架為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梯形屋面梁，屋面板為大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋面板，基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)。

2 結(jié)構(gòu)方案確定

根據(jù)荷載情況、經(jīng)濟(jì)性、不停產(chǎn)(或者少停產(chǎn))施工的難易程度、施工的可靠性、工藝要求、可行性等因素的作用下，設(shè)計(jì)經(jīng)多方案比選，最后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定為:在所抽柱的下柱(標(biāo)高6 m 以上)設(shè)一巨型空間桁架(圖1)。

3 設(shè)計(jì)

3.1 荷載取值

該工程是在不停產(chǎn)的條件下進(jìn)行施工的，因此，荷載選用要考慮兩個(gè)狀態(tài):一是正常使用狀態(tài)下的荷載取值;二是施工狀態(tài)下的荷載取值。

正常使用狀態(tài)下的荷載取值，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009－2001(2006年版)取值，施工狀態(tài)下的荷載取值要考慮到施工過程中的受力狀態(tài)。在構(gòu)件加工、制作、安裝過程中，結(jié)構(gòu)不受力;在原廠房柱切割的過程中，桁架慢慢受力。只要受力就會(huì)使桁架產(chǎn)生變形，為了不讓這種變形影響廠房的安全使用，必須增設(shè)施工機(jī)構(gòu)(另論述)。在此過程中，吊車暫不運(yùn)行。荷載有:屋面活荷載(一定量的積灰荷載)，風(fēng)荷載、地震荷載均不考慮，只需計(jì)算標(biāo)高6.000 m 以上的恒載。

圖1 巨型梁

3.2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

計(jì)算簡(jiǎn)圖的選取也要考慮正常使用狀態(tài)與施工狀態(tài)。

正常使用狀態(tài)下，原廠房柱底面(基礎(chǔ)頂面)標(biāo)高為－0.500 m。在增加了巨型桁架后，柱底面(即桁架頂面)標(biāo)高變?yōu)?5 m。這樣的情況下，增加了原廠房柱的抗側(cè)移剛度。雖然施工過程中要采取措施，使廠房的豎向變形為零，甚至高出一點(diǎn)，但是桁架的側(cè)向位移使原保留的廠房柱的剛度降低。該桁架為空間桁架，自身具有一定的抗扭剛度(對(duì)原廠房柱講，就是抗彎剛度)。因此，桁架對(duì)原廠房柱的抗彎約束達(dá)不到嵌固端的要求，桁架的抗扭剛度降低了原廠房柱的抗側(cè)移剛度。圖2、圖3 分別為抽柱處的計(jì)算簡(jiǎn)圖和桁架的計(jì)算簡(jiǎn)圖。

桁架在豎向、水平(即柱腳的軸力、剪力)力作用下，兩端為簡(jiǎn)支(見圖3a);在扭矩(柱腳彎矩)作用下，兩端為嵌固(見圖3b)。

圖2 原廠房抽柱處計(jì)算

圖3 桁架計(jì)算

施工狀態(tài)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。施工狀態(tài)只在切割原廠房柱時(shí)及以后桁架才會(huì)受力，此時(shí)的活荷載、水平力均不考慮。為了保證廠房在正常使用時(shí)不受桁架豎向剛度的影響而產(chǎn)生下沉，必須設(shè)置一個(gè)機(jī)構(gòu)，使桁架能逐漸承擔(dān)起廠房的恒載。此時(shí)，抽柱處的計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖4。

圖4 抽柱處的計(jì)算

3.3 構(gòu)件截面計(jì)算

根據(jù)荷載取值，計(jì)算簡(jiǎn)圖以正常狀態(tài)為計(jì)算對(duì)象，對(duì)施工狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，得到了桁架構(gòu)件斷面如下(圖5):

根據(jù)大梁傳至廠房柱的總荷載，驗(yàn)算并對(duì)原廠房柱及基礎(chǔ)進(jìn)行加固。經(jīng)計(jì)算，加固后的柱斷面為1000 mm×3200 mm;對(duì)原廠房柱基礎(chǔ)進(jìn)行加固，經(jīng)多方案比較后，采用了4個(gè)樁基加固原基礎(chǔ)。

圖5 桁架構(gòu)件

4 施工

該桁架巨型梁外廓尺寸(寬×高×長):3.8 m×8 m×121 m，總重830 t。經(jīng)多方案比較，采用現(xiàn)場(chǎng)制作的施工方案。

施工順序是:加固原廠房柱基礎(chǔ)，加固原廠房柱，現(xiàn)場(chǎng)制作桁架巨型梁，頂升，將原廠房柱固定在巨型桁架梁上，切割巨型桁架梁下的原廠房柱。

現(xiàn)場(chǎng)制作采用滿堂紅架子。由于在原廠房恒載與巨型桁架梁自重的作用下，巨型桁架梁在跨中產(chǎn)生的撓度為32 cm，為了保證原廠房使用功能，巨型桁架梁需在正常使用時(shí)進(jìn)行平整，因此在制作巨型桁架梁時(shí)要起拱32 cm。

在巨型桁架梁制作完成后，就要進(jìn)行頂升工作:

(1)頂升工作的目的:在切割原廠房柱時(shí)不致使原廠房受損。為了達(dá)到這個(gè)目的，頂升的條件是:巨型桁架下的原廠房柱應(yīng)力為零。

(2)頂升的機(jī)具:油壓泵加千斤頂。所有的千斤頂由一個(gè)油壓泵加壓。由于千斤頂?shù)男谐虨?0 cm，但實(shí)際行程應(yīng)為32 cm。因此，靠邊的兩個(gè)柱要準(zhǔn)備兩套千斤頂、兩個(gè)油壓泵。每個(gè)柱的豎恒載132 t，選用4個(gè)50 t 的千斤頂，雙向?qū)ΨQ布置。

(3)備足鋼墊板。在原廠房柱上設(shè)一個(gè)牛腿，確保千斤頂?shù)牧鹘o柱。

(4)頂升的順序。先給一套系統(tǒng)加壓，待該系統(tǒng)的千斤頂達(dá)到最大行程時(shí)固定，再安裝第二套系統(tǒng)，給第二套系統(tǒng)加壓，待第二套系統(tǒng)千斤頂達(dá)到最大行程時(shí)固定，這樣依次進(jìn)行。由于切割柱的數(shù)量對(duì)稱，巨型桁架梁在每個(gè)柱處產(chǎn)生的變形不同，計(jì)算出巨型桁架梁在每個(gè)柱處產(chǎn)生的撓度。千斤頂更換的次數(shù)及行程由它決定。經(jīng)計(jì)算可知，原廠房恒載使巨型桁架梁產(chǎn)生的最大撓度為16 cm，其余依次為10.6 cm、5.3 cm。

(5)檢測(cè)。這是本施工階段的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，采用兩套系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè):一個(gè)是檢測(cè)油壓壓力;另一個(gè)是檢測(cè)巨型桁架梁的變形。若兩者同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)值，就停止加壓;若兩者只有一個(gè)達(dá)到設(shè)計(jì)值，可再稍加壓后再停止。

(6)施工過程中幾個(gè)問題的處理。

①原廠房柱與巨型桁架間存在摩擦力。由于該摩擦力影響油壓，可采取磨光原柱表面并涂上一層黃油的措施來消除這個(gè)摩擦力。

②橋式吊車不應(yīng)在此區(qū)域段運(yùn)行，要在該區(qū)域段兩頭的軌道上設(shè)卡子，阻止吊車運(yùn)行;

③觀察。對(duì)該區(qū)域及附近的原廠房的柱、吊車梁、屋架及本設(shè)計(jì)中的巨型桁架進(jìn)行連續(xù)觀察。一旦發(fā)現(xiàn)問題，要立即停止頂升，待問題處理完后方可再次頂升。

5 結(jié)束語

經(jīng)過筆者全方位的分析、計(jì)算，該巨型桁架梁在投入使用后，能確保原廠房在各種狀態(tài)下的安全使用。這也為舊房改造提供了一些經(jīng)驗(yàn)。

［1］吳德安.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002

［2］陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第三版)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005

［3］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003

［4］楊位洸.地基及基礎(chǔ)(第三版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1988