鋼結(jié)構(gòu)廠房加固優(yōu)化設(shè)計(jì)的原因及措施

周安樓

摘 要：與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，新興的鋼結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、投入少、施工效率高、回報(bào)期短、環(huán)境污染小和可重復(fù)使用等諸多優(yōu)勢(shì)，在廠房建筑中有大范圍的應(yīng)用。然而，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種鋼結(jié)構(gòu)存在一些缺陷，隱藏一些安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，人們需要對(duì)其進(jìn)行加固，以確保生產(chǎn)安全進(jìn)行，減小風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生率。鋼結(jié)構(gòu)建筑是科學(xué)技術(shù)不斷提升的產(chǎn)物，在廠房的大范圍運(yùn)用中顯示了其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。筆者結(jié)合實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，剖析了鋼結(jié)構(gòu)廠房的特征和進(jìn)行加固優(yōu)化的緣由，指出了加固過(guò)程中需要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)廠房;建筑加固;優(yōu)化;設(shè)計(jì)措施

中圖分類(lèi)號(hào)：TU746.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）04-0121-03

Abstract： Compared with the traditional reinforced concrete structure， the emerging steel structure has many advantages such as stable structure， low investment， high construction efficiency， short payback period， low environmental pollution and reusability， which has a wide range of applications in plant construction. However， the investigation finds that this steel structure has some defects， hiding some safety risks. Therefore， people need to strengthen it to ensure safe production and reduce the rate of risk. Steel structure building is the product of the continuous improvement of science and technology， and has shown its unique advantages in the large-scale application of factory buildings. Combining practical work experience， the author analyzed the characteristics of steel structure workshops and the reasons for reinforcement optimization， and pointed out the problems that need attention in the reinforcement process.

Keywords： steel structure workshop;building reinforcement;optimization;design measures

廠房是工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施，可以確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行，同時(shí)為工人營(yíng)造優(yōu)良的工作環(huán)境。在實(shí)踐應(yīng)用中，鋼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)勢(shì)，然而也存在一些問(wèn)題。若沒(méi)有及時(shí)清除鋼結(jié)構(gòu)廠房隱藏的安全風(fēng)險(xiǎn)，便會(huì)導(dǎo)致企業(yè)工作人員、財(cái)產(chǎn)受損。伴隨工廠規(guī)模的增大，廠房荷載逐漸增大，鋼結(jié)構(gòu)使用時(shí)間變長(zhǎng)，工廠管理人員一定要高度重視鋼結(jié)構(gòu)廠房的加固。加固技術(shù)運(yùn)用期間，施工人員應(yīng)當(dāng)依據(jù)設(shè)計(jì)要求，制定有較強(qiáng)可行性的施工計(jì)劃。為保證施工效果，施工人員應(yīng)當(dāng)關(guān)注以下問(wèn)題。一是加固施工期間，廠房生產(chǎn)活動(dòng)依舊進(jìn)行，為確保工人與財(cái)產(chǎn)的安全，所有人員要做好防護(hù)舉措，防止危險(xiǎn)事件的發(fā)生，如果有必要，可將廠房?jī)?nèi)的所有人員撤出。二是施工人員在進(jìn)行鋼筋焊接時(shí)要防范焊接變形，高度重視應(yīng)力集中問(wèn)題。三是加固過(guò)程中使用的角鋼、結(jié)構(gòu)支座等構(gòu)件應(yīng)當(dāng)在加工后直接使用，并確保構(gòu)件尺寸合適。

1 鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的重要性

鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)十分突出，應(yīng)用范圍日漸廣泛。然而，由于許多實(shí)踐都是嘗試性建設(shè)，因此項(xiàng)目建設(shè)初始環(huán)節(jié)容易存在一定問(wèn)題，在靜態(tài)載荷或者動(dòng)態(tài)載荷的長(zhǎng)期影響下會(huì)產(chǎn)生安全隱患，人們需要對(duì)一些建筑進(jìn)行加固處理[1]。經(jīng)過(guò)工程案例梳理可知，加固是為了應(yīng)對(duì)多種情形下的荷載，通常分為3種情形。

一是設(shè)計(jì)的初始時(shí)期載荷核算不精準(zhǔn)，或者受人為或經(jīng)濟(jì)等因素的影響，導(dǎo)致完工后的鋼結(jié)構(gòu)廠房的承載力未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生形變問(wèn)題，形成了安全風(fēng)險(xiǎn)。如果建設(shè)時(shí)使用的是輕質(zhì)鋼材，就易導(dǎo)致塌方問(wèn)題。施工人員要采取恰當(dāng)?shù)募庸膛e措，提升鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)載水平，消除安全隱患，保證廠房工人與設(shè)備的安全。

二是部分企業(yè)運(yùn)營(yíng)狀況優(yōu)良，需要擴(kuò)大廠房規(guī)模，提升生產(chǎn)水平。大部分企業(yè)不會(huì)采用重建的方法，大多基于現(xiàn)有廠房進(jìn)行擴(kuò)建，現(xiàn)有廠房大都予以保留，導(dǎo)致之前的負(fù)載和空間尺度產(chǎn)生改變。擴(kuò)建后，廠房的跨度必定增大，致使其負(fù)載增加，然而鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并未提升，支撐水平降低。要確保擴(kuò)容后的廠房穩(wěn)固，人們一定要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行增固，提升其負(fù)載水平。

三是盲目增多載荷。在工程建造完成后，部分企業(yè)為確保生產(chǎn)活動(dòng)順利開(kāi)展，便私自在廠房頂部裝設(shè)太陽(yáng)能設(shè)備，以滿足取暖或者供水需求。這種做法會(huì)導(dǎo)致廠房荷載變大，引發(fā)安全隱患，所以要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

2 鋼結(jié)構(gòu)廠房加固方式

2.1 擴(kuò)大構(gòu)件截面

鋼結(jié)構(gòu)廠房加固階段，擴(kuò)大構(gòu)件截面，可以提高建筑自身的穩(wěn)定性。施工人員要充分考慮現(xiàn)有缺陷和損傷情況，針對(duì)需要加固的部位制定有效的加固方案，在原有加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上適當(dāng)擴(kuò)大受力構(gòu)件截面。擴(kuò)大構(gòu)件截面是加固鋼結(jié)構(gòu)的一種普遍方式，操作簡(jiǎn)單，并且不影響生產(chǎn)，能夠發(fā)揮重要作用。

施工人員要注意加固時(shí)的凈空限制，使新加固的構(gòu)件不與其他桿件相沖突;加固設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)原有構(gòu)件的幾何狀態(tài)，以利施工;應(yīng)盡量減少施工工作量。當(dāng)原有結(jié)構(gòu)鋼材的可焊性較好時(shí)，根據(jù)具體情況，應(yīng)盡量考慮采用焊接加固，減少焊接工作量，以減少焊接應(yīng)力的影響，避免焊接變形。施工時(shí)應(yīng)避免仰焊，要加大構(gòu)件截面，盡量使被加固構(gòu)件截面的形心軸位置不變，以減少偏心所產(chǎn)生的彎矩。當(dāng)偏心值超過(guò)規(guī)定值，在復(fù)核加固截面時(shí)，應(yīng)考慮偏心的影響;加固后的截面在構(gòu)造上要考慮防腐要求，避免形成易于積灰的坑槽而引起銹蝕;加大截面的加固構(gòu)造時(shí)，不應(yīng)過(guò)多削弱原有構(gòu)件的承載能力。

2.2 單個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固

單個(gè)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固方法有焊接鋼板、粘貼鋼板和碳纖維復(fù)合板、改變截面形狀（如將工字形截面改為箱形截面或格構(gòu)型截面）、外包混凝土加強(qiáng)（主要應(yīng)用于鋼柱）等技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用于建筑時(shí)，設(shè)計(jì)人員要充分考慮實(shí)際截面形式和技術(shù)存在的缺點(diǎn)，確保加固達(dá)到預(yù)期效果。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮施工難易程度、施工周期長(zhǎng)短、施工費(fèi)用高低，充分對(duì)比設(shè)計(jì)方案，篩選最佳方案。在實(shí)際工程中，可以搭配應(yīng)用多種加固技術(shù)方法，保證鋼結(jié)構(gòu)建筑的加固效果。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

以某工業(yè)廠房為例，其采用鋼結(jié)構(gòu)框架，梁柱節(jié)點(diǎn)采用栓焊混合連接。該廠房共有5層，其中，1層的高度為4.5 m，2～4層為4.2 m，5層為3.0 m;占地面積約為670 m2，建筑面積共計(jì)3 854 m2。該廠房施工期間編制完善的施工方案，落實(shí)安全技術(shù)交底，重點(diǎn)對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制。施工完成后，業(yè)主委托有資質(zhì)的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)廠房施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。驗(yàn)收結(jié)果顯示，部分梁柱的節(jié)點(diǎn)處存在焊接缺陷，如焊接不充分、焊接不滿、出現(xiàn)焊縫等。為了保證廠房后期使用的安全性，必須進(jìn)行加固處理。

3.2 原鋼結(jié)構(gòu)廠房荷載的復(fù)核

3.2.1 荷載類(lèi)型。該廠房樓面的恒荷載是4.2 kN/m2，活荷載是12.3 kN/m2，該地風(fēng)壓是0.56 kN/m2;抗震設(shè)防烈度是7度，框架的抗震等級(jí)是4級(jí);鋼材強(qiáng)度為Q345，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。通過(guò)分析整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，本文最終確定荷載組合是：1.2恒荷載+1.4活荷載+0.6風(fēng)壓，地震帶來(lái)的影響不大。

3.2.2 復(fù)核計(jì)算。下面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架的荷載組合進(jìn)行校核，結(jié)果顯示，主要指標(biāo)的復(fù)核結(jié)果均處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，廠房整體安全性滿足設(shè)計(jì)要求。因此，不需要對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行拆除，只需要對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固即可。

3.3 加固方案

對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固時(shí)，可以采用的方案有修復(fù)焊縫、使用梁翼緣貼板和梁端加腋板等。但是，這些加固方案施工時(shí)需要拆除局部樓板，對(duì)原來(lái)的焊縫進(jìn)行清理，然后重新焊接?？紤]到該廠房已經(jīng)完工，采用這些加固方案，不僅增加了施工難度，還可能導(dǎo)致鋼構(gòu)件出現(xiàn)新?lián)p傷，加固成本較高，因此不宜采用[2]。結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)廠房的實(shí)際情況，從安全性、技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面考慮，經(jīng)業(yè)主、施工企業(yè)、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)共同商討，最終決定采用角隅撐加固方案，在梁柱節(jié)點(diǎn)附近設(shè)置支撐，提高鋼結(jié)構(gòu)框架的整體穩(wěn)定性。

3.4 加固計(jì)算

角隅撐的材質(zhì)是工字鋼，尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm。加固時(shí)，位置是梁距離柱中心線的水平間距為1 200 mm、柱距離梁中心線的垂直間距為1 200 mm，按照45°設(shè)置角隅撐。以H型鋼柱和梁體為例，其連接方式如圖1所示。

具體加固施工時(shí)，清理原焊縫，重新焊接，或不進(jìn)行處理，對(duì)加固節(jié)點(diǎn)的受力性能影響不大，因此不再進(jìn)行清理和修復(fù)。其中，加固類(lèi)型包括兩種：一種是鉸接，另一種是剛接，加固后的計(jì)算結(jié)果如表1所示。分析可知，加固后結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移均明顯減小，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.5 節(jié)點(diǎn)分析

為了分析角隅撐和梁柱節(jié)點(diǎn)的受力情況，避免存在薄弱部位，下面選擇其中最不利的部位作為對(duì)象，對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的荷載情況進(jìn)行模擬分析[3]。結(jié)合本工程的實(shí)際情況，最不利鋼結(jié)構(gòu)框架是1層5軸，最不利荷載節(jié)點(diǎn)是5軸和B軸的連接處。利用PKPM分析軟件和ABAQUS連接器，構(gòu)件受力采用板單元，鋼材本構(gòu)關(guān)系采用理想彈性模型，缺陷因子為1/1 000，分別按照鉸接、剛接建立模型。其中，建立鉸接模型時(shí)利用鉸接功能模塊;建立剛接模型時(shí)利用綁定約束功能模塊。要按照構(gòu)件的內(nèi)力比例緩慢加載，直至鋼結(jié)構(gòu)屈服。

結(jié)果顯示，梁柱節(jié)點(diǎn)鉸接時(shí)，施加荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值，可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)、梁端的應(yīng)力是均勻分布的且整體數(shù)值較小，最大的應(yīng)力位于角隅撐外側(cè)、主梁的翼緣處。施加荷載為設(shè)計(jì)值的1.2倍時(shí)，節(jié)點(diǎn)和梁端區(qū)域的應(yīng)力分布基本沒(méi)有變化，高應(yīng)力區(qū)向跨中發(fā)展，主梁的翼緣處出現(xiàn)屈服。施加荷載為設(shè)計(jì)值的1.3倍時(shí)，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布基本沒(méi)有變化，角隅撐下方柱的應(yīng)力增大，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主梁的腹板區(qū)域，呈現(xiàn)出屈服狀態(tài)。

梁柱節(jié)點(diǎn)剛接時(shí)，施加荷載達(dá)到設(shè)計(jì)值，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力小、分布均勻，梁端翼緣的應(yīng)力高于鉸接情況，最大應(yīng)力位于角隅撐外側(cè)、主梁的翼緣處。施加荷載為設(shè)計(jì)值的1.2倍時(shí)，梁翼緣部位的應(yīng)力明顯增大，但沒(méi)有屈服。施加荷載為設(shè)計(jì)值的1.3倍時(shí)，角隅撐下方柱的應(yīng)力繼續(xù)增大，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在主梁的腹板區(qū)域，呈現(xiàn)出屈服狀態(tài)。

總結(jié)來(lái)看，梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)和剛接節(jié)點(diǎn)的屈服過(guò)程基本一致，鋼構(gòu)件的承載力相近;最大應(yīng)力均出現(xiàn)在角隅撐外側(cè)、主梁的翼緣處;隨著荷載加大，均是梁構(gòu)件先出現(xiàn)屈服，滿足強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求[4-5]。

4 結(jié)語(yǔ)

整體來(lái)說(shuō)，鋼結(jié)構(gòu)在建筑項(xiàng)目中起著不可忽視的作用，其強(qiáng)度、穩(wěn)定性與建筑工程的建造質(zhì)量有十分密切的關(guān)聯(lián)。因此，施工單位在建筑項(xiàng)目施工過(guò)程中要依據(jù)實(shí)際情況改進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提升鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平，增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。本文以實(shí)踐項(xiàng)目為例，論述了角隅撐加固方案，以期為同類(lèi)工程提供有效參考。研究表明，加固后，鋼結(jié)構(gòu)位移顯著減小，結(jié)構(gòu)應(yīng)力顯著降低，各指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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