大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)屋面鋼梁加固設(shè)計(jì)研究

王　海,王　偉,諸宏博

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司， 浙江 杭州 310012)

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大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)屋面鋼梁加固設(shè)計(jì)研究

王海1，2,王偉1，2,諸宏博1，2

(1.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建設(shè)工程質(zhì)量檢驗(yàn)站有限公司， 浙江 杭州 310012)

某59m跨輕型門式剛架廠房由于使用功能改變而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)所受荷載增加,在對(duì)該廠房剛架進(jìn)行檢測(cè)時(shí),發(fā)現(xiàn)屋面鋼梁截面尺寸及焊縫質(zhì)量未滿足現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家規(guī)范要求且與原設(shè)計(jì)偏差較大,經(jīng)計(jì)算表明無(wú)法滿足承載力要求。今以此工程為例,對(duì)既有門式剛架結(jié)構(gòu)廠房的加固改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究,通過(guò)在原有H型鋼梁基礎(chǔ)上增加下弦桿、豎向拉桿及斜拉桿,使其成為鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。桿件連接節(jié)點(diǎn)部位采用節(jié)點(diǎn)板焊接連接,下弦桿與原有鋼柱采用節(jié)點(diǎn)板螺栓連接,并采用分段改造的方式。設(shè)計(jì)方案中由于采用了斜拉桿從而降低了節(jié)點(diǎn)區(qū)的應(yīng)力,于是在保證結(jié)構(gòu)體系剛度的同時(shí)減小了整體鋼桁架的計(jì)算高度,分段加固的節(jié)點(diǎn)與鋼柱連接既滿足了與柱的剛性連接,也保證了鋼桁架整體承載力和剛度的連續(xù)性。

門式剛架；桁架；加固改造

2000年以來(lái)隨著國(guó)家工業(yè)化生產(chǎn)的集約化、規(guī)?；?，使得工業(yè)廠房大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè),其中輕型門式剛架結(jié)構(gòu)廠房由于其結(jié)構(gòu)輕、工期短、現(xiàn)場(chǎng)組裝便捷、經(jīng)濟(jì)效益明顯[1]等優(yōu)勢(shì)而得到大規(guī)模推廣。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,許多企業(yè)由于生產(chǎn)工藝及環(huán)保理念的提升逐漸對(duì)原有廠房提出了提升改造的要求。由于工業(yè)化生產(chǎn)工藝的改變對(duì)原有廠房的使用荷載有較大的變化[1],在門式剛架廣泛應(yīng)用的同時(shí),對(duì)既有門式剛架廠房的加固和改造提升也逐漸趨向迫切。本文通過(guò)某單層門式剛架結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房加固設(shè)計(jì)的工程實(shí)例,對(duì)門式剛架加固方案前后的受力情況進(jìn)行對(duì)比研究,希望對(duì)同類的工程有一定的借鑒意義。

1　 工程概況

浙江省衢州市開(kāi)發(fā)區(qū)某鋼結(jié)構(gòu)廠房,為單層門式剛架結(jié)構(gòu),長(zhǎng)120.42m×寬59.02m,總建筑面積7193.5m2?？缍葹?8.76、21.5、18.76m,縱向柱距9.0m,邊跨柱距6.21m,檐口高度6.9m,屋脊高度9.2m。

邊柱采用變截面H型鋼,截面尺寸為H300～560×200×6×8,中柱采用等截面H型鋼,截面尺寸為H300×200×6×10；鋼梁均采用三段H型鋼梁拼接,截面尺寸分別為H600～550×150×5×8、H550×150×5×6、H550～680×200×6×10。單層廠房剛架采用Q345B鋼,其他均采用Q235B鋼,門式剛架平面布置及剖面示意圖見(jiàn)圖1、圖2。

由于業(yè)主方擬在屋面鋪設(shè)太陽(yáng)能光伏板(1.5kN/m2),根據(jù)屋面相同坡度沿屋面鋪設(shè),并于屋面以下設(shè)置吊頂(0.4kN/m2)。因此,需對(duì)該門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載力復(fù)合。

2　 承載力復(fù)合

根據(jù)門式剛架結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn),對(duì)該廠房的主體剛架及支撐桿件等構(gòu)造體系建立空間模型進(jìn)行計(jì)算分析[2]。

圖1　門式剛架剖面示意圖

圖2　門式剛架平面布置示意圖

2.1基本參數(shù)

荷載取值：屋面自重為0.15kN/m2,屋面活荷載(不上人屋面)0.5kN/m2,太陽(yáng)能光伏板自重為1.5kN/m2,檁條自重為0.05kN/m2,吊頂及吊掛荷載為0.4kN/m2。

根據(jù)該房屋所在地的相關(guān)資料,該廠房基本風(fēng)壓為0.35kN/m2,雪荷載為0.5kN/m2,地面粗糙系數(shù)為B類；地震設(shè)防烈度取6度,0.05g,設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅲ類。

2.2計(jì)算分析

采用MIDAS/Civilv6.71進(jìn)行模型建立,經(jīng)有限元計(jì)算分析,其桿件最大應(yīng)力比為1.05,其余桿件多數(shù)大于0.95,且應(yīng)力分布不均衡,應(yīng)力最大處位于單側(cè)屋面鋼梁跨中部位,鋼梁和鋼柱交接處；最大位移為115.0mm,接近于規(guī)范規(guī)定的L/180,即119mm；檁條撓度值約為1/129,不滿足規(guī)范中1/200的限值要求。該門式剛架的應(yīng)力比分布及位移見(jiàn)圖3、圖4。

2.3結(jié)論及處理意見(jiàn)

根據(jù)分析結(jié)果,荷載增加后使得該廠房的門式剛架結(jié)構(gòu)體系承載力及變形量控制不能滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50017—2003)》[3]的相關(guān)要求。鑒于此,為了滿足使用需要及房屋安全性要求,應(yīng)對(duì)其采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施。

圖3　門式剛架應(yīng)力比分布圖

圖4　門式剛架位移量示意圖

3　 加固方案

本工程采用對(duì)屋面結(jié)構(gòu)增設(shè)鋼桁架的方式進(jìn)行加固,并增設(shè)水平支撐和垂直支撐。設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)同本文2.1節(jié),工程安全等級(jí)為二級(jí),加固設(shè)計(jì)使用年限為50年。

材料選用：鋼梁、主桁架、相關(guān)節(jié)點(diǎn)板所用鋼板及熱軋型鋼Q345B,系桿、水平支撐及相關(guān)節(jié)點(diǎn)板所用鋼板及熱軋型鋼Q235B。

螺栓連接、焊接連接等制作與安裝均應(yīng)滿足現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1標(biāo)準(zhǔn)門式剛架加固措施

設(shè)計(jì)采取在原門式剛架(GJ1)屋面梁下增設(shè)下弦桿,以原H型鋼梁作為上弦桿共同作用。桁架端部高度為1.346m,屋脊高度為2.142m；邊跨由邊柱起分別于2.65、4.61、3.0、3.0、3.0m處設(shè)置豎向拉桿至中柱1,中間跨由中柱1至中柱2分別于3.0、3.0、3.0、1.75m(屋脊)處設(shè)置豎向拉桿,對(duì)稱布置；各桿件連接節(jié)點(diǎn)均采用8mm厚節(jié)點(diǎn)板焊接連接,桁架布置見(jiàn)圖5。

3.2山墻位置門式剛架加固措施

設(shè)計(jì)采取在原門式剛架(GJ2)屋面梁下增加折線形鋼桁架。桁架端部距離邊柱頂1.9m,跨中頂部距屋脊高度為2.472m,桁架高度1.728m；邊跨斜拉桿節(jié)點(diǎn),由邊柱起分別位于3.215、1.5、1.5、1.5、1.54m至抗風(fēng)柱1,第二跨斜拉桿節(jié)點(diǎn),由抗風(fēng)柱1起分別位于1.75、1.5、1.5、1.5、1.5、1.75m至抗風(fēng)柱2,中間跨由抗風(fēng)柱2起分別位于1.875、1.75、1.75、1.75、1.75、1.875m至中柱,在抗風(fēng)柱1與抗風(fēng)柱2之間增加柱間支撐,對(duì)稱布置；各桿件連接節(jié)點(diǎn)均采用8mm厚節(jié)點(diǎn)板焊接連接,節(jié)點(diǎn)板與鋼柱連接采用M20高強(qiáng)螺栓連接,桁架布置及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖6、圖7。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)桁架桿件布設(shè)示意圖

4　對(duì)比分析

采用MIDAS/Civilv6.71有限元軟件分析,建立門式剛架結(jié)構(gòu)體系加固后的有限元模型,荷載及荷載組合情況與原設(shè)計(jì)相同[1]。

圖6　桁架桿件布設(shè)示意圖

圖7　梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意圖

為體現(xiàn)門式剛架廠房加固后承載力的影響和加固方案滿足剛度要求,對(duì)加固方案前后門式剛架各個(gè)部位的最大應(yīng)力比進(jìn)行了比較,并對(duì)門式剛架的位移量進(jìn)行比較分析。表1為門式剛架各個(gè)部位的最大應(yīng)力比,表2為門式剛架最大位移量。

表1　門式剛架梁柱應(yīng)力比

表2　門式剛架最大位移

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(CECS 102∶2002)》[4](2012年版)中的相關(guān)規(guī)定,門式剛架斜梁豎向撓度不得超過(guò)跨度的L/180[4]。則跨度為18.76 m的剛架梁撓度不得大于104 mm,跨度為21.5 m的剛架梁撓度不得大于119 mm[4]。

通過(guò)表1和表2中的相關(guān)數(shù)值可以看出，加固后門式剛架的撓度均明顯較小,且位移量均滿足規(guī)范相關(guān)限值要求。

5　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有某廠房原結(jié)構(gòu)增加荷載后的結(jié)構(gòu)體系重新進(jìn)行模型建立及有限元分析,發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求即不能滿足安全使用要求,進(jìn)而對(duì)該廠房進(jìn)行加固方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行分析研究。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)加固方案設(shè)計(jì)能滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等安全要求,并滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,從而較好地達(dá)到了使用要求和加固的效果。

[1]閆翔宇,李路川,于敬海，等.既有門式剛架結(jié)構(gòu)加固改造方案研究[J]. 工程抗震與加固改造,2014,36(3)：86-90．

[2]王元清,王喆,石永久,等.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)廠房加固設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑,2001,31(8)：51-52．

[3]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[4]中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)建筑鋼結(jié)構(gòu)委員會(huì)，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所.CECS 102∶2002 門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

Study on the Reinforcing Design of Roofing Steel Beam for the Large Span Portal Frame Structure

WANG Hai1，2,WANG Wei1，2,ZHU Hongbo1，2

2016-02-22

王海(1980—),男,浙江杭州人,高級(jí)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定及加固設(shè)計(jì)工作。

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