王敏　張小樂　賈軍剛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西太原　030001）

某電廠職工餐廳屋面網(wǎng)架改造加固設(shè)計分析

王敏張小樂賈軍剛

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西太原030001）

山西某電廠職工餐廳屋面網(wǎng)架，由于擴(kuò)建和建筑立面發(fā)生變化，外懸挑尺寸減小，引起原設(shè)計部分桿件承載力不滿足要求，需進(jìn)行加固改造，改造期間需保證原餐廳處于使用狀態(tài)。本文結(jié)合網(wǎng)架加固改造的常見問題，分析本工程實施加固改造需采取的措施，給出網(wǎng)架桿件承載力不滿足規(guī)范要求時的加固方法和后續(xù)的施工注意問題，為同類建筑屋面網(wǎng)架改造加固提供了可借鑒的經(jīng)驗。

網(wǎng)架改造加固貼焊角鋼施工順序

1　引言

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因其造型美觀、受力合理、抗震性能好、覆蓋空間大、施工速度快等諸多優(yōu)點，使得其在工業(yè)廠房、大跨度倉庫、民用大空間場館等屋面結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。同時，對于已建成的屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，因建筑物的使用功能改變、裝修立面改觀、使用空間擴(kuò)容及荷重增加等原因，引起屋面外形及結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，使得空間網(wǎng)架桿件、節(jié)點、支座的內(nèi)力等發(fā)生變化，以致使桿件、節(jié)點等不能滿足設(shè)計承載力要求，進(jìn)而必需對其進(jìn)行加固改造。

通常建筑屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)改造加固，應(yīng)滿足現(xiàn)行國家規(guī)程、規(guī)范的要求，同時需做好以下幾方面的工作：

（1）查閱原設(shè)計圖紙和竣工資料，理解原設(shè)計意圖，考慮新建筑設(shè)計布置帶來的變化，注意新、舊建筑銜接部分的結(jié)構(gòu)和建筑關(guān)系及構(gòu)造做法；

（2）現(xiàn)場調(diào)查網(wǎng)架的使用情況，結(jié)合新改網(wǎng)架設(shè)計情況，分析荷載作用情形，按現(xiàn)行規(guī)范復(fù)核原網(wǎng)架與更改后網(wǎng)架，對比分析各桿件內(nèi)力及地基基礎(chǔ)的強度和變形，根據(jù)布置及荷載變化，計算分析原有建筑結(jié)構(gòu)在安全可靠的前提下是否需加固；

（3）選擇加固改造設(shè)計方案，應(yīng)全面細(xì)致考慮施工實施過程，盡量減小改造施工對原結(jié)構(gòu)正常使用的影響，施工快捷、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量。

2　工程概況及改造要求

該電廠職工餐廳及附屬建筑建設(shè)于2003年，屋面為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)根據(jù)業(yè)主要求拆除原有餐廳右側(cè)部分單層建筑后，再貼建一相同跨度的餐廳，以擴(kuò)大職工就餐面積（見圖1），屋面仍采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)新、舊餐廳的銜接和建筑立面風(fēng)格的一致，建筑專業(yè)將原餐廳屋面由外挑弧狀立面（見圖2）設(shè)計改為直線立面（見圖3），并減小屋面懸挑的外包尺寸，使建筑立面風(fēng)格改變。同時業(yè)主要求改造施工對原有餐廳部分的影響盡可能減小，盡量縮短工期，以便及早使用，因此，結(jié)構(gòu)專業(yè)在考慮對屋面網(wǎng)架進(jìn)行改造設(shè)計和與新增餐廳屋面的銜接設(shè)計的同時，還需考慮改造方案實施的全過程。

原屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為鋼管桿件、焊接球節(jié)點正放四角錐平板網(wǎng)架，四坡屋面，下弦四邊支承，系按1991年版規(guī)范設(shè)計。支座內(nèi)平面尺寸30mX18m，周邊外懸挑2.5m。網(wǎng)架桿件共1728根，焊接球節(jié)點共463個，其中上弦桿462根，下弦桿402根，腹桿864根。桿件規(guī)格為兩種：60X3.5和76X4；焊接球節(jié)點（含支座）均為WS200X6，鋼材材質(zhì)Q235B，支座形式為平板支座，其底板與周圈混凝土梁頂預(yù)埋件焊接。

圖1　改造前后餐廳平面圖

圖2　原有餐廳外觀圖

圖3　改造后餐廳效果圖

3　改造方案及驗算分析

3.1改造方案簡述

原餐廳女兒墻弧形立面變?yōu)槠矫媪⒚?，屋面網(wǎng)架改造需切除周邊部分球和桿件，如圖4剖面中虛線球節(jié)點及桿件部分，將原網(wǎng)架周圍懸挑2.5m改為懸挑1m寬，拆除部分按對稱形式進(jìn)行，先橫向后縱向。改造后網(wǎng)架支座內(nèi)平面尺寸及網(wǎng)架形狀、支座形式、屋面板材、防水保溫及屋面找坡等荷載條件均不改變。原網(wǎng)架為四邊支承，四周支承墻及其暗柱必需保留。為使新舊餐廳墻體立面統(tǒng)一、建筑風(fēng)格簡潔美觀、屋面銜接自然、保溫隔熱、防水密封、結(jié)構(gòu)可靠，新增餐廳屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由新增基礎(chǔ)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、周圈連續(xù)梁，仍采用四邊支承形式，新舊銜接側(cè)為懸挑網(wǎng)架，在此不再贅述。

圖4　改造后網(wǎng)架平面布置示意圖

3.2驗算原則及荷載取值

在前述條件的情形下，原網(wǎng)架外懸挑結(jié)構(gòu)尺寸減小，懸挑端女兒墻位置內(nèi)移，此處荷載相應(yīng)減小，網(wǎng)架支座及跨中桿件內(nèi)力必然發(fā)生變化，既有支座、桿件是否滿足安全使用要求，具體采用何加固方案，需通過驗算對比分析才能確定。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的外荷載按靜力等效原則，將節(jié)點所轄區(qū)域內(nèi)的荷載等效集中作用在該節(jié)點上。結(jié)構(gòu)分析時可忽略節(jié)點剛度的影響，假定節(jié)點為鉸接，桿件只承受軸力。采用國內(nèi)通用的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件MST（2011版）進(jìn)行分析復(fù)核。

擴(kuò)建改造切去原網(wǎng)架周邊1.5m，需割掉上弦桿116根，下弦桿108根，腹桿224根，球節(jié)點116個（見圖4），支座位置數(shù)量不變，荷載條件如下：

屋面恒載、活載按規(guī)范取值，荷載作用在網(wǎng)架上弦節(jié)點，程序計算不包含網(wǎng)架結(jié)構(gòu)自重。原屋面板、保溫、防水、新設(shè)女兒墻以及檢修荷載按實際輸入；其中施工和使用階段的節(jié)點荷載，均不得超過設(shè)計驗算數(shù)值。

風(fēng)荷載、雪荷載按當(dāng)?shù)?0年一遇取值。在進(jìn)行網(wǎng)架屋蓋圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算時，屋面各部分的體形系數(shù)取值按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012。

地震作用：當(dāng)?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度6度（0.05g），根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010，地震作用可不考慮。各分項系數(shù)取值按荷載規(guī)范要求。

圖5　上弦桿加固做法圖

圖6　下弦桿加固做法圖

3.3驗算結(jié)果及分析

通過復(fù)核驗算對比分析改造前、后屋面網(wǎng)架桿件內(nèi)力得知：由于改造屋面部分建筑物高度未發(fā)生變化，僅周邊面積減小，故支座內(nèi)力有所減小；由于原懸挑部分切除，支座附近桿件內(nèi)力出現(xiàn)拉、壓變號情形，但桿件內(nèi)力變化幅度不大；所有焊接球節(jié)點及斜腹桿內(nèi)力變化不大，且應(yīng)力比在安全范圍內(nèi)，應(yīng)力比均小于0.85，說明原腹桿構(gòu)件有較多的安全儲備；結(jié)構(gòu)跨中計算最大撓度35mm，滿足規(guī)范要求。但跨中上、下弦桿件的內(nèi)力變化較大，部分桿件應(yīng)力比大于1，最大應(yīng)力比約為1.2，不滿足安全允許要求。

通過對改造后的網(wǎng)架桿件重新計算，并與原網(wǎng)架對應(yīng)桿件對比統(tǒng)計，上弦桿有52根不滿足要求，主要分布在跨中的橫向桿件中；下弦桿有10根桿件不滿足要求，分布在跨中③④軸之間，其余桿件和球節(jié)點均滿足要求。

4　網(wǎng)架加固方法分析

4.1改造加固分析

根據(jù)原屋面網(wǎng)架施工設(shè)計圖和改造設(shè)計方案，對原網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行驗算分析，得知現(xiàn)存各桿件的設(shè)計現(xiàn)狀，網(wǎng)架支座、節(jié)點以及大部分桿件滿足正常使用要求，僅少數(shù)桿件不滿足強度要求。依據(jù)國家有關(guān)建（構(gòu)）筑物改造現(xiàn)行規(guī)程、規(guī)范，應(yīng)委托有相應(yīng)資質(zhì)的單位對本屋面及其結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基，進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠性鑒定，證明原結(jié)構(gòu)及屋面網(wǎng)架，經(jīng)過近10年來的使用，目前是安全可靠的，具備改造條件，對按改造意圖、設(shè)計計算、加固桿件進(jìn)行分析評價，并對其他可能存在的設(shè)計施工和使用問題給予論述說明，得出相關(guān)的結(jié)論，以便加固施工改造的正常實施，并保證施工環(huán)境影響，減小對同步使用的影響。

改造加固工程不同于新建工程，其如同對原有結(jié)構(gòu)做手術(shù)一般，必須有詳細(xì)的實施程序。改造可能要取消桿件、尺寸變化或增加荷載，加固條件復(fù)雜和原結(jié)構(gòu)上焊接，即是特殊的施工工況，也使結(jié)構(gòu)荷載桿件內(nèi)力發(fā)生了變化，稍不注意就可能發(fā)生施工安全問題。顯然，本工程須先加固、后改造，即對復(fù)核計算不滿足要求的桿件進(jìn)行加固，使其加固安全可靠后，方可拆除改造周圈懸挑部分。

改造加固及使用過程中，恒載活荷載不得超過復(fù)核計算時的取用荷載?？紤]加固施工期間，餐廳仍然有使用的可能。因而施工只能分片采用移動升降平臺，逐桿件加固施工，盡量不使額外荷載作用于網(wǎng)架。拆除多余桿件時，應(yīng)按對稱方式進(jìn)行，先橫向后縱向；桿件加固順序由內(nèi)向外，先上弦，后下弦。

4.2改造加固方法

鋼結(jié)構(gòu)桿件不滿足強度要求時，增大截面法是最常見的方法，緊貼原鋼管焊鋼筋、鋼板、套圓管、包角鋼均能達(dá)到要求，從外觀上看，套焊鋼管比較合適，但套管加工難度較大；考慮到需加固桿件承載力欠缺較小，建筑裝飾要加吊頂處理，從桿件下料和施工方便出發(fā)，決定對不滿足要求的桿件通長貼焊角鋼加固，并將角鋼與兩端球節(jié)點焊牢，使補強角鋼與鋼管形成新桿件，其截面積選取，按改造后網(wǎng)架桿件計算面積適當(dāng)放大，使應(yīng)力比控制在0.85以內(nèi)，確保安全可靠。

由于改造前后桿件計算內(nèi)力相差較小，各桿件只需加固一根小規(guī)格L50×5的角鋼即可，做法詳見圖5、圖6。該方法能有效地提高圓管結(jié)構(gòu)的承載力，并能使加固結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)有效地聯(lián)合，共同抵抗外荷載的作用，桿件軸心受力的偏心影響較小。為減小桿件應(yīng)力集中，角鋼與球和鋼管焊接采用低氫細(xì)焊絲。

5　施工注意事項

（1）為減少拆除網(wǎng)架周邊懸挑部分時產(chǎn)生對支座內(nèi)桿件工作狀態(tài)的不利影響，應(yīng)先對桿件實施加固施工，待驗收合格后，再對懸挑部分實施拆除。

（2）加固角鋼按現(xiàn)場網(wǎng)架加固桿件尺寸度量，事先逐一放樣，角鋼兩端切割弧度與球節(jié)點對應(yīng)一致，核準(zhǔn)無誤后方可下料。角鋼與球節(jié)點和鋼管焊接部位應(yīng)事先將原涂漆去除，露出金屬光澤后方能施焊，應(yīng)采用低氫細(xì)焊絲焊接，以減小焊接應(yīng)力的不利影響。最終應(yīng)對加固和改造部分進(jìn)行防腐涂漆處理。

（3）施工應(yīng)采用移動升降平臺，分段對需加固的桿件逐一加固，以控制施工荷載數(shù)值，確保加固施工過程中，桿件內(nèi)力變化值小于加固允許設(shè)計值。

（4）如需在網(wǎng)架上設(shè)置臨時操作平臺，平臺支點應(yīng)直接作用于焊接球節(jié)點上，不得將加固操作平臺直接搭放在桿件上，以免引起桿件失穩(wěn)。

（5）施工加固順序應(yīng)為先下弦桿后加固上弦桿。加固時應(yīng)將加固角鋼兩側(cè)與球節(jié)點焊牢后，再將角鋼均勻斷續(xù)的貼焊在鋼管上，減小桿件的殘余應(yīng)力。

（6）多余桿件節(jié)點應(yīng)對稱拆除，先橫向后縱向，拆除部分桿件與屋面板應(yīng)保證切口整齊，以便使新建女兒墻骨架連接平整。拆除時應(yīng)注意不得損傷相鄰現(xiàn)存節(jié)點和桿件。應(yīng)采取必要措施，減小落物、落塵影響，確保餐廳的環(huán)境文明。