路 慧 軍

(山西太鋼工程技術(shù)有限公司,山西 太原 030009)

鋼結(jié)構(gòu)廠房加固技術(shù)探討及實(shí)例

路 慧 軍

(山西太鋼工程技術(shù)有限公司,山西 太原 030009)

以太原市某鋼結(jié)構(gòu)廠房為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，經(jīng)過驗(yàn)算分析，制定了優(yōu)化的加固及封閉設(shè)計(jì)方案，完成了鋼結(jié)構(gòu)的加固，維護(hù)封閉和設(shè)計(jì)的優(yōu)化，為今后處理鋼結(jié)構(gòu)加固的問題提供了參考依據(jù)。

加固，鋼結(jié)構(gòu)，封閉，梁柱，連續(xù)檁條

在工業(yè)建筑中，隨著經(jīng)濟(jì)條件的不斷改善和發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中，鋼結(jié)構(gòu)所占的比例越來越大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)廠房的研究也逐步深入。同時(shí)，對(duì)既有鋼結(jié)構(gòu)廠房建筑的改造加固問題也成為我們經(jīng)常在設(shè)計(jì)施工中遇到的一個(gè)問題，現(xiàn)就加固中經(jīng)常遇到的問題結(jié)合我們?cè)诠こ讨杏龅降囊粋€(gè)實(shí)際案例進(jìn)行分析研究，共同探討。

引起結(jié)構(gòu)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(shè)保溫層，加大吊車起重量；3)意外的損害，如火災(zāi)或其他自然災(zāi)害等；4)設(shè)計(jì)、施工造成的缺陷；5)鋼材質(zhì)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(jié)構(gòu)的加固是一項(xiàng)復(fù)雜和艱巨的工作，要考慮的因素很多，應(yīng)在詳細(xì)勘察現(xiàn)有狀態(tài)和了解歷史使用情況的前提下，通過結(jié)構(gòu)驗(yàn)算并結(jié)合施工條件具體情況具體分析。加固的方法應(yīng)該施工方便、經(jīng)濟(jì)合理。鋼結(jié)構(gòu)加固的主要方法包括：1)減輕荷載，改用輕質(zhì)材料或其他方法降低結(jié)構(gòu)承擔(dān)的重量，這是最為簡(jiǎn)單和直接的方法，只要驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，無需再采用補(bǔ)救措施；2)改變結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算圖形，調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)力，使內(nèi)力重新分配計(jì)算，改善被加固構(gòu)件受力情況，減少加固工作量。主要辦法包括：增加支撐加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度，調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期和頻率，提高抗震性能；增設(shè)支撐或輔助桿件以減少構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比；重點(diǎn)加強(qiáng)局部構(gòu)件強(qiáng)度，以承受大部分水平剪力，減輕其他構(gòu)件負(fù)荷；設(shè)置拉桿加強(qiáng)結(jié)構(gòu)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?qū)⒑?jiǎn)支結(jié)構(gòu)變?yōu)檫B續(xù)結(jié)構(gòu)；增設(shè)撐桿，將梁式結(jié)構(gòu)變?yōu)殍旒苁浇Y(jié)構(gòu)；與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同工作形成混合結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)受壓性能良好的特點(diǎn)；3)如果以上兩種辦法無法實(shí)現(xiàn)，可以采用單體構(gòu)件截面的補(bǔ)強(qiáng)方法解決。實(shí)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(bǔ)貼鋼板或在上下翼緣焊接型鋼；桁架可根據(jù)情況對(duì)弦桿和腹桿補(bǔ)焊相應(yīng)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(shí)腹式柱變?yōu)楦駱?gòu)式柱，翼緣或腹板補(bǔ)焊型鋼或鋼板。在加固的同時(shí)還應(yīng)該高度重視連接節(jié)點(diǎn)的處理，堅(jiān)決避免出現(xiàn)“強(qiáng)構(gòu)件，弱節(jié)點(diǎn)”的現(xiàn)象。下面結(jié)合實(shí)例共同探討。

太原市某鋼結(jié)構(gòu)廠房，結(jié)構(gòu)形式為開敞式對(duì)稱雙坡輕鋼門式剛架結(jié)構(gòu)，屋面坡度5%，原來用于儲(chǔ)存運(yùn)輸物料?？v向長(zhǎng)度為156 m，柱距7.5 m；橫向?qū)挾葹?4 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(tái)5 t電動(dòng)單梁天車，中級(jí)工制作，吊車跨度為17 m，軌頂標(biāo)高7.5 m，廠房檐口標(biāo)高9.2 m,基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。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(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)未考慮廠房封閉。使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)物料露天堆放時(shí)有揚(yáng)塵現(xiàn)象，對(duì)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(guān)部門要求重建全封閉廠房室內(nèi)作業(yè)。業(yè)主為節(jié)省資金，希望保留原結(jié)構(gòu)，用單層壓型板對(duì)屋面和墻面進(jìn)行封閉。委托我方進(jìn)行驗(yàn)算和封閉加固設(shè)計(jì)。

接受任務(wù)后，首先按照原有圖紙對(duì)結(jié)構(gòu)在新的條件下進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，基礎(chǔ)可以滿足要求，不必進(jìn)行加固處理。但由于原有設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮風(fēng)荷載和屋面恒、活荷載以及雪荷載，封閉后會(huì)對(duì)廠房設(shè)計(jì)主要造成五方面的問題：1)剛架柱平面外穩(wěn)定應(yīng)力比超限；2)鋼架梁柱節(jié)點(diǎn)處梁負(fù)彎矩位置作用彎矩與考慮屈曲后強(qiáng)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(fēng)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(yàn)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)踏勘，反復(fù)論證，我們制定了優(yōu)化的加固及封閉設(shè)計(jì)方案從五個(gè)方面解決以上問題。

1)計(jì)算顯示剛架邊柱平面外穩(wěn)定應(yīng)力比為1.22>1.0，超限，長(zhǎng)細(xì)比為109。如果采用直接補(bǔ)強(qiáng)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(shí)殘余應(yīng)力較大，現(xiàn)場(chǎng)施焊焊縫長(zhǎng)，質(zhì)量難以保證，而且柱腳處需進(jìn)行植螺栓處理使加固部分柱腳與基礎(chǔ)可以傳遞受力，此種辦法雖然可行但是施工較為復(fù)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(yīng)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(zhǎng)細(xì)比減小1/2，并通過柱間支撐可以直接傳力至基礎(chǔ)，增加剛性系桿后平面外穩(wěn)定應(yīng)力比變?yōu)?.76，滿足規(guī)范要求，見圖1。

2)計(jì)算表明在剛架梁柱節(jié)點(diǎn)附近梁負(fù)彎矩處考慮屈曲后強(qiáng)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(duì)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(chǎng)用角焊縫連接，T型鋼長(zhǎng)度盡可能小，以減小現(xiàn)場(chǎng)仰焊的施工難度，本方案為1.5 m～2.0 m,見圖2。加強(qiáng)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(yàn)算顯示屈曲后強(qiáng)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?jī)舾叨冉档?，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(yùn)行與新增加的T型鋼碰撞。

3)原有廠房不封閉時(shí)，無需考慮山墻風(fēng)荷載，屋面系統(tǒng)只在廠房中部1/3處設(shè)置了兩道橫向支撐，每跨屋面梁中部設(shè)置了一道剛性系桿。同時(shí)在廠房?jī)啥撕椭胁?/3處共設(shè)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(fēng)荷載傳遞和屋面整體剛度要求，在廠房?jī)啥酥嚅g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(fēng)荷載傳遞明確。

4)增加山墻抗風(fēng)柱和屋面、墻面檁條系統(tǒng)。為了盡量減少對(duì)舊有結(jié)構(gòu)增加荷載并且降低含鋼量，節(jié)約資金，我們對(duì)新增檁條系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了連續(xù)檁條的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)為方便施工，采用了嵌套搭接方式完成。連續(xù)檁條的設(shè)計(jì)需要注意幾個(gè)方面：a.彎矩的計(jì)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(huì)有松動(dòng)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(qiáng)度，跨中是單檁條強(qiáng)度，所以計(jì)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(dá)到目的，便于操作，按照端跨彎矩最大的特點(diǎn)，可在端跨柱距選擇較厚截面型號(hào)的檁條，但檁條高度與其他檁條高度保持不變;c.搭接長(zhǎng)度的確定：根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料和試驗(yàn)，嵌套搭接長(zhǎng)度考慮支座彎矩釋放之后的實(shí)際情況，取B>0.125L(L為跨長(zhǎng))，A=C=0.05L(L為跨長(zhǎng))，可滿足計(jì)算要求，見圖4;d.撓度的計(jì)算：與正常計(jì)算的連續(xù)梁相比，嵌套搭接連續(xù)檁條會(huì)帶來撓度的增加，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)的結(jié)果，將連續(xù)梁模式計(jì)算出的撓度乘以1.3～1.5的放大系數(shù)比較接近實(shí)際情況；e.搭接端頭螺栓抗剪能力的計(jì)算：Q=M/(L1+L2)，其中，M為支座處檁條彎矩，此處應(yīng)注意，M應(yīng)該考慮嵌套松動(dòng)，釋放10%，通常情況下這個(gè)剪力設(shè)計(jì)值約為 6 kN～10 kN，端頭采用兩個(gè)M12的普通螺栓就可以滿足承載能力的要求。根據(jù)以上計(jì)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(zhì)均為Q345熱鍍鋅。經(jīng)過對(duì)比，在強(qiáng)度計(jì)算和剛度計(jì)算結(jié)果相近的情況下，采用連續(xù)檁條可比采用簡(jiǎn)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(shè)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(shè)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(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)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(gè)方案是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合加固措施和設(shè)計(jì)優(yōu)化完成的一個(gè)實(shí)例，改造后設(shè)計(jì)方案計(jì)算完全滿足現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，為今后處理鋼結(jié)構(gòu)加固的問題提供了一個(gè)思路。

[1] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 《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)[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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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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