鋼結構廠房加固技術探討及實例

路 慧 軍

(山西太鋼工程技術有限公司,山西 太原 030009)

鋼結構廠房加固技術探討及實例

路 慧 軍

(山西太鋼工程技術有限公司,山西 太原 030009)

以太原市某鋼結構廠房為例，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，經(jīng)過驗算分析，制定了優(yōu)化的加固及封閉設計方案，完成了鋼結構的加固，維護封閉和設計的優(yōu)化，為今后處理鋼結構加固的問題提供了參考依據(jù)。

加固，鋼結構，封閉，梁柱，連續(xù)檁條

在工業(yè)建筑中，隨著經(jīng)濟條件的不斷改善和發(fā)展，鋼結構建筑以其自重輕，抗震性能好，施工快捷，污染少而受到用戶廣泛青睞，尤其在廠房結構中，鋼結構所占的比例越來越大，對鋼結構廠房的研究也逐步深入。同時，對既有鋼結構廠房建筑的改造加固問題也成為我們經(jīng)常在設計施工中遇到的一個問題，現(xiàn)就加固中經(jīng)常遇到的問題結合我們在工程中遇到的一個實際案例進行分析研究，共同探討。

引起結構加固的主要原因有以下幾種：1)工藝條件的改變；2)荷載的增加，如加設保溫層，加大吊車起重量；3)意外的損害，如火災或其他自然災害等；4)設計、施工造成的缺陷；5)鋼材質量不符合要求；6)使用過程中的磨損及非正常操作造成的磨損等。

結構的加固是一項復雜和艱巨的工作，要考慮的因素很多，應在詳細勘察現(xiàn)有狀態(tài)和了解歷史使用情況的前提下，通過結構驗算并結合施工條件具體情況具體分析。加固的方法應該施工方便、經(jīng)濟合理。鋼結構加固的主要方法包括：1)減輕荷載，改用輕質材料或其他方法降低結構承擔的重量，這是最為簡單和直接的方法，只要驗算滿足規(guī)范要求，無需再采用補救措施；2)改變結構靜力計算圖形，調整結構應力，使內力重新分配計算，改善被加固構件受力情況，減少加固工作量。主要辦法包括：增加支撐加強結構剛度，調整結構的周期和頻率，提高抗震性能；增設支撐或輔助桿件以減少構件長細比；重點加強局部構件強度，以承受大部分水平剪力，減輕其他構件負荷；設置拉桿加強結構剛度，減小撓度；變更端部固定情況，如將鉸接變?yōu)閯偨?；增加支座或將簡支結構變?yōu)檫B續(xù)結構；增設撐桿，將梁式結構變?yōu)殍旒苁浇Y構；與其他結構構件共同工作形成混合結構，如采用組合梁使鋼梁與混凝土板共同工作，充分發(fā)揮混凝土結構受壓性能良好的特點；3)如果以上兩種辦法無法實現(xiàn)，可以采用單體構件截面的補強方法解決。實腹式鋼梁的加固可以根據(jù)情況采用在梁的上下翼緣、腹板處補貼鋼板或在上下翼緣焊接型鋼；桁架可根據(jù)情況對弦桿和腹桿補焊相應型鋼以增加截面面積；柱子加固可采用將H型鋼柱變?yōu)?字形柱，實腹式柱變?yōu)楦駱嬍街?，翼緣或腹板補焊型鋼或鋼板。在加固的同時還應該高度重視連接節(jié)點的處理，堅決避免出現(xiàn)“強構件，弱節(jié)點”的現(xiàn)象。下面結合實例共同探討。

太原市某鋼結構廠房，結構形式為開敞式對稱雙坡輕鋼門式剛架結構，屋面坡度5%，原來用于儲存運輸物料?？v向長度為156 m，柱距7.5 m；橫向寬度為54 m，三跨連續(xù)布置，每跨跨度為18 m，柱腳和梁柱均為剛接連接；各跨均配有兩臺5 t電動單梁天車，中級工制作，吊車跨度為17 m，軌頂標高7.5 m，廠房檐口標高9.2 m,基礎形式為柱下獨立基礎。廠房建成于2008年，出于滿足工藝要求及盡可能降低投資的目的，當時設計未考慮廠房封閉。使用一段時間后發(fā)現(xiàn)物料露天堆放時有揚塵現(xiàn)象，對周圍環(huán)境造成一定污染，現(xiàn)在由于環(huán)保要求提高，相關部門要求重建全封閉廠房室內作業(yè)。業(yè)主為節(jié)省資金，希望保留原結構，用單層壓型板對屋面和墻面進行封閉。委托我方進行驗算和封閉加固設計。

接受任務后，首先按照原有圖紙對結構在新的條件下進行了結構驗算，基礎可以滿足要求，不必進行加固處理。但由于原有設計時沒有考慮風荷載和屋面恒、活荷載以及雪荷載，封閉后會對廠房設計主要造成五方面的問題：1)剛架柱平面外穩(wěn)定應力比超限；2)鋼架梁柱節(jié)點處梁負彎矩位置作用彎矩與考慮屈曲后強度抗彎承載力比值超限；3)需增加屋面和墻面檁條系統(tǒng)及山墻抗風柱；4)支撐系統(tǒng)不完備；5)屋面系桿布置部分缺失。

根據(jù)驗算結果和現(xiàn)場踏勘，反復論證，我們制定了優(yōu)化的加固及封閉設計方案從五個方面解決以上問題。

1)計算顯示剛架邊柱平面外穩(wěn)定應力比為1.22>1.0，超限，長細比為109。如果采用直接補強柱子的辦法，則有一半數(shù)量的柱子需要加固，屬于帶荷施工且焊接時殘余應力較大，現(xiàn)場施焊焊縫長，質量難以保證，而且柱腳處需進行植螺栓處理使加固部分柱腳與基礎可以傳遞受力，此種辦法雖然可行但是施工較為復雜。最后決定采用在柱子平面外方向增加縱向剛性系桿的辦法解決剛架柱平面外穩(wěn)定應力比超限問題，在廠房邊柱中間部位沿縱向增加φ125×8鋼管作為剛性系桿，在廠房縱向1/3處與廠房下柱柱間支撐相連，鋼柱平面外長細比減小1/2，并通過柱間支撐可以直接傳力至基礎，增加剛性系桿后平面外穩(wěn)定應力比變?yōu)?.76，滿足規(guī)范要求，見圖1。

2)計算表明在剛架梁柱節(jié)點附近梁負彎矩處考慮屈曲后強度與抗彎承載力比值為1.09，超限。梁的整體穩(wěn)定和撓度仍可滿足規(guī)范要求。加固方案針對梁的薄弱區(qū)域，局部采用T型鋼加腋，翼緣及腹板厚度與原有屋面梁相同，現(xiàn)場用角焊縫連接，T型鋼長度盡可能小，以減小現(xiàn)場仰焊的施工難度，本方案為1.5 m～2.0 m,見圖2。加強后此處的屋面梁截面模量明顯增大，可以較大幅度提高抗彎提高承載力，驗算顯示屈曲后強度與抗彎承載力比值降為0.87，符合規(guī)范要求。但此處需要注意加腋后廠房凈高度降低，必須保證屋面梁與天車頂部保持足夠安全距離，避免加固后天車運行與新增加的T型鋼碰撞。

3)原有廠房不封閉時，無需考慮山墻風荷載，屋面系統(tǒng)只在廠房中部1/3處設置了兩道橫向支撐，每跨屋面梁中部設置了一道剛性系桿。同時在廠房兩端和中部1/3處共設置了四道上柱支撐，中部1/3處有兩道下柱支撐。改造后屋面支撐系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足要求，綜合考慮山墻風荷載傳遞和屋面整體剛度要求，在廠房兩端柱距間增加兩道角鋼屋面橫向支撐，與廠房上柱系統(tǒng)匹配，形成完整的廠房支撐系統(tǒng)，以保證屋面體系完整和風荷載傳遞明確。

4)增加山墻抗風柱和屋面、墻面檁條系統(tǒng)。為了盡量減少對舊有結構增加荷載并且降低含鋼量，節(jié)約資金，我們對新增檁條系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，采用了連續(xù)檁條的設計方法，同時為方便施工，采用了嵌套搭接方式完成。連續(xù)檁條的設計需要注意幾個方面：a.彎矩的計算：連續(xù)檁條彎矩分布如圖3所示，端跨彎矩最大，其控制截面為M1-M9，而嵌套搭接必然會有松動滑移現(xiàn)象，并不是理想的連續(xù)梁，需要考慮支座處的彎矩釋放，釋放量大約在10%～15%，在支座處嵌套搭接雙層檁條具有雙倍的強度，跨中是單檁條強度，所以計算控制截面僅考慮M1和M9即可；b.檁條的選擇：考慮嵌套施工的方式，選用Z型檁條更容易達到目的，便于操作，按照端跨彎矩最大的特點，可在端跨柱距選擇較厚截面型號的檁條，但檁條高度與其他檁條高度保持不變;c.搭接長度的確定：根據(jù)國內外相關資料和試驗，嵌套搭接長度考慮支座彎矩釋放之后的實際情況，取B>0.125L(L為跨長)，A=C=0.05L(L為跨長)，可滿足計算要求，見圖4;d.撓度的計算：與正常計算的連續(xù)梁相比，嵌套搭接連續(xù)檁條會帶來撓度的增加，根據(jù)相關試驗的結果，將連續(xù)梁模式計算出的撓度乘以1.3～1.5的放大系數(shù)比較接近實際情況；e.搭接端頭螺栓抗剪能力的計算：Q=M/(L1+L2)，其中，M為支座處檁條彎矩，此處應注意，M應該考慮嵌套松動，釋放10%，通常情況下這個剪力設計值約為 6 kN～10 kN，端頭采用兩個M12的普通螺栓就可以滿足承載能力的要求。根據(jù)以上計算理論我們最終選擇Z200×76/70×20×1.8(端跨)和Z200×76/70×20×1.5(端跨)作為屋面、墻面檁條，材質均為Q345熱鍍鋅。經(jīng)過對比，在強度計算和剛度計算結果相近的情況下，采用連續(xù)檁條可比采用簡支檁條節(jié)省鋼材20%左右。

5)完善屋面系桿布置，原有廠房系桿布置偏少，只在每跨屋面梁中部設置了一道剛性系桿，作為屋面梁平面外支撐。本次封閉后，雖然屋面增設了檁條系統(tǒng)，但是考慮檁條截面較小，厚度較薄，不能兼做剛性系桿，所以在對應于屋面支撐布置的壓桿位置，增加了兩道剛性系桿，使平面桁架體系更加完備。

設計完成后，業(yè)主組織施工單位在沒有停產(chǎn)的情況下完成了廠房的加固和封閉，到目前為止，使用情況良好。這個方案是根據(jù)現(xiàn)場實際情況結合加固措施和設計優(yōu)化完成的一個實例，改造后設計方案計算完全滿足現(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》和《建筑抗震設計規(guī)范》的要求，為今后處理鋼結構加固的問題提供了一個思路。

[1] GB 50017-2003，鋼結構設計規(guī)范[S].

[2] 《鋼結構設計手冊》編輯委員會.鋼結構設計手冊[M].第3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] 陳友泉，魏潮文.門式剛架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問題釋義[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

Thediscussionofsteelstructurefactory’sreinforcementandexample

LUHui-jun

(ShanxiTaigangEngineeringandTechnologyCo.，Ltd,Taiyuan030009,China)

Taking some steel structure workshop in Taiyuan as the example, the paper makes the optimal consolidation and enclosed design scheme by the calculation and analysis by combining with sites, and completes the consolidation of the steel structures and maintains the optimization of enclosure and design, so as to provide some reference for the consolidation of steel structures.

consolidation, steel structure, enclosure, beam column, continuous purlins

1009-6825(2014)33-0029-03

2014-09-17

路慧軍(1970- ),男,工程師

TU391

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