改變計(jì)算圖形在鋼柱加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁曉杰

（太鋼（集團(tuán)）工程技術(shù)有限公司，山西太原 030009）

1 加固背景

1.1 現(xiàn)場情況

某廠原料皮帶運(yùn)輸通廊2腿支撐鋼柱（本文以下按柱名HZ-1）總高37m，工人現(xiàn)場巡查發(fā)現(xiàn)其存在肉眼可見的側(cè)向位移，經(jīng)專業(yè)公司現(xiàn)場實(shí)測，支架本身平面外出現(xiàn)側(cè)彎，測量數(shù)據(jù)詳細(xì)如下：通廊軸線方向，支架HZ-1平面外為X為0（通廊軸線方向），平面內(nèi)Y為0（通廊軸線垂直方向）；距地 10m，X=34，Y=17；19m，X=112，Y=36；37m，X=20，Y=70。

鋼柱HZ-1在平面外出現(xiàn)側(cè)撓，最大撓度在柱子中部，撓度為112m。支架HZ-1撓曲變形現(xiàn)狀見圖1。

圖1 HZ-1現(xiàn)狀

圖2 HZ-1加固后立面

1.2 原因分析

復(fù)核HZ-1支架原結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，HZ-1支架柱柱腳為剛接，上部與通廊為鉸接，長度計(jì)算系數(shù)按1.0。按照規(guī)范，該柱“容許長細(xì)比”為150。HZ-1支架柱選用型鋼為HM800×300×13×26，實(shí)際計(jì)算結(jié)果為125，計(jì)算滿足要求。

以上為HZ-1僅考慮軸壓力的理想工況，但在實(shí)際使用過程中，未知的工況，如：①支架間增加氣力輸灰管道產(chǎn)生的推力；②斜通廊重力（通廊自重和皮帶機(jī)、物料重量）的水平分力對柱的推力。

本案HZ-1原設(shè)計(jì)僅考慮頂部通廊荷載軸向壓力，未考慮側(cè)向力對鋼柱產(chǎn)生的影響，實(shí)際上HZ-1支架距地7.3m處吊掛一根氣力輸灰管道，管道靠高壓氣體進(jìn)行除塵灰輸送。除塵灰在高壓氣體作用下，向前移動(dòng)，對管道產(chǎn)生摩擦力，此力最終成為傳導(dǎo)至HZ-1支架上的推力。此推力作用下，在HZ-1頂部通廊內(nèi)人員明顯能感到通廊的固定頻率單向晃動(dòng)，通廊內(nèi)作業(yè)人員明顯感覺不舒適，結(jié)構(gòu)存在不安全。

以上增加的①和②未知工況疊加的側(cè)向力，使HZ-1柱由單純軸壓構(gòu)件變成偏心受壓作用的構(gòu)件，這種偏心受壓作用桿件，不論壓力偏心多么小，壓桿的次要變形—彎曲變形都有可能隨著變形或壓力的增大而不斷增大，并逐漸轉(zhuǎn)化為主要變形。

經(jīng)過復(fù)核，HZ-1支架頂部通廊的壓力（單柱750kN）已接近實(shí)腹鋼柱臨界力，原處在穩(wěn)定平衡狀態(tài)的鋼柱會(huì)因側(cè)向力向剛度較小的一側(cè)發(fā)生彎曲或扭轉(zhuǎn)，如令其變形繼續(xù)發(fā)展，會(huì)造成整體喪失穩(wěn)定。為此，急需對HZ-1進(jìn)行加固，以確保生產(chǎn)安全運(yùn)行。

2 方案對比

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（CEC S77—96）中3.3.1條，鋼結(jié)構(gòu)加固主要方法有：減輕結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）荷載、改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形、加大原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面等。根據(jù)本工程實(shí)際情況，考慮采用改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固方法。此方法主要指采用改變結(jié)構(gòu)荷載傳力途徑、改變荷載分布狀況、改變節(jié)點(diǎn)（約束）性質(zhì)以及構(gòu)件邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、對構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力和考慮構(gòu)件空間協(xié)同工作等措施對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，根據(jù)業(yè)主要求，我司經(jīng)過現(xiàn)場測量及勘察，原因分析，提出兩個(gè)加固方案：①新建支架：新建一4腿固定支架，新支架建成后，通廊荷載全部轉(zhuǎn)移到新支架上，原HZ-1退出工作。此方案需要新立支架和基礎(chǔ)；②改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形的加固方法：把已經(jīng)變形的HZ-1支架柱當(dāng)做桁架結(jié)構(gòu)的受壓桿，在柱東側(cè)增設(shè)弦桿承擔(dān)拉力，壓桿與受拉桿之間用腹桿構(gòu)造連接。

按照工業(yè)建筑設(shè)計(jì)中要求貫徹“堅(jiān)固適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”的方針，對比兩個(gè)方案：①設(shè)計(jì)保守、安全穩(wěn)妥，偏于安全，符合“堅(jiān)固適用”原則，但需新做4個(gè)基礎(chǔ)，占地面積大、施工周期長且高空作業(yè)施工難度大；②結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)新穎、造價(jià)低、施工相對簡單，符合“技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理”的方針。

綜合考慮結(jié)構(gòu)安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、施工周期等幾方面因素，為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，減小加固施工帶來的干擾，業(yè)主傾向于方案②。此加固方案不能對鋼柱變形進(jìn)行“糾偏”，其目的只能是防止鋼柱側(cè)向變形繼續(xù)加大，屬于“折中”的結(jié)構(gòu)加固方案。

3 加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 改變計(jì)算圖形

HZ-1為單片滑動(dòng)支架，HZ-1偏壓鋼柱一側(cè)增設(shè)構(gòu)件，構(gòu)件之間采用腹桿連接，改變了其結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形。如將增加受拉桿件的支架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°放置水平，即為典型的“桁架”結(jié)構(gòu)。此方案增設(shè)附加受拉桿件和構(gòu)造腹桿，將已發(fā)生彎曲變形的鋼柱變?yōu)檎w“桁架”中的受壓構(gòu)件，增加的構(gòu)件為桁架受拉弦桿，改變了結(jié)構(gòu)形式和荷載傳力途徑。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

結(jié)構(gòu)計(jì)算用PKPM軟件STS-2模塊，建模輸入?yún)?shù)，確認(rèn)柱底和柱頂支座約束條件（對構(gòu)件計(jì)算長細(xì)比結(jié)果至關(guān)重要），進(jìn)行分析計(jì)算，構(gòu)件以長細(xì)比控制為主，為安全穩(wěn)妥起見，將計(jì)算指標(biāo)（強(qiáng)度比、穩(wěn)定應(yīng)力比）控制在0.6左右，構(gòu)件截面適當(dāng)加大，以加大安全儲(chǔ)備。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和結(jié)果分別見圖3、圖4。

圖3 HZ-1結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 計(jì)算結(jié)果圖形

4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的再思考

穩(wěn)定無疑是細(xì)長柱設(shè)計(jì)的控制工況，對柱彎曲失穩(wěn)臨界應(yīng)力影響最大的主要因素是長細(xì)比，細(xì)長構(gòu)件往往是其強(qiáng)度未達(dá)到達(dá)極限狀態(tài)就會(huì)喪失穩(wěn)定，而軸心受壓構(gòu)件最常見的是彎曲失穩(wěn)。

柱越長或越細(xì)，即長細(xì)比越大，則臨界應(yīng)力越小，越容易彎曲失穩(wěn)。柱彎曲失穩(wěn)總是順著剛度較弱的方向，即長細(xì)比較大的方向發(fā)生。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇構(gòu)件應(yīng)首選長細(xì)比各向同性的圓管、方管構(gòu)件，對于兩個(gè)主軸x、y軸長細(xì)比不相等或差異巨大的構(gòu)件，其彎曲失穩(wěn)總是順著剛度較弱的一側(cè)發(fā)生，即長細(xì)比較大的方向發(fā)生，故結(jié)構(gòu)計(jì)算尤其空間結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)充分考慮構(gòu)件各個(gè)方向的長細(xì)比。

設(shè)計(jì)人在本例計(jì)算時(shí)，只進(jìn)行單個(gè)支架的計(jì)算，而不是幾個(gè)支架和通廊整體建模，再者使用工況超出設(shè)計(jì)工況，結(jié)構(gòu)受力狀況發(fā)生改變，使軸壓構(gòu)件變?yōu)槠氖軌簶?gòu)件，構(gòu)件發(fā)生變形并不斷發(fā)展，從而對影響結(jié)構(gòu)使用甚至帶來結(jié)構(gòu)安全隱患。

基于對HZ-1變形的原因分析，筆者認(rèn)為對于高聳結(jié)構(gòu)，如支架、塔架，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行單個(gè)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，在充分考慮所有工況的情況下做結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算，對處在軸壓臨界力狀態(tài)下的“細(xì)長”構(gòu)件，應(yīng)加大構(gòu)件截面，例如本案中HZ-1鋼柱長細(xì)比應(yīng)控制在100以下，以增加安全儲(chǔ)備。

5 結(jié)論

加固設(shè)計(jì)中改變計(jì)算圖形，其結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖，應(yīng)按結(jié)構(gòu)形式，依據(jù)實(shí)際荷載、支承約束情況、邊界條件、傳力途徑等確定，應(yīng)充分考慮結(jié)構(gòu)使用中的各種不利工況，但實(shí)際工作中的有利因素也應(yīng)適當(dāng)考慮，如結(jié)構(gòu)的空間作用以及新結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)的共同作用等因素。

本例中，改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形做為鋼柱加固設(shè)計(jì)的一種方法，將受壓鋼柱一側(cè)增加受拉弦桿，等同于桁架下增加撐桿的加固方式。計(jì)算圖形的改變，實(shí)則是結(jié)構(gòu)形式的改變，將軸壓柱轉(zhuǎn)為“桁架構(gòu)件”對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，增強(qiáng)構(gòu)件剛度，遏制變形發(fā)展，保證了結(jié)構(gòu)安全性；同時(shí)施工過程節(jié)省工期，節(jié)約造價(jià)。從加固后2年的實(shí)際使用情況來看，變形得到了遏制，結(jié)構(gòu)得以繼續(xù)使用，設(shè)計(jì)滿足要求。