陳庚俊

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢430063）

0 引言

鋼屋架作為一種常用的大跨度輕型屋面結(jié)構(gòu)形式，具有自重輕、施工速度快、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)八九十年代時(shí)大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中。隨著時(shí)間的推移，很多輕型屋面漏水問題嚴(yán)重，尤其是應(yīng)用于民用建筑中的鋼屋架，因承載能力有限難以滿足業(yè)主日益增加的各項(xiàng)荷載要求。對(duì)于屋面荷載要求變化較大的鋼屋架結(jié)構(gòu)，采用何種有效方式進(jìn)行加固，以保證其承載力和變形滿足要求是值得研究的問題。本文以某宴會(huì)廳大跨度鋼屋架改造加固工程為例，介紹了改變受力路徑加固設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。

1 工程概況

本工程建于1992 年，總建筑面積為21 500 m2，主樓19 層，裙樓5 層，大屋面結(jié)構(gòu)高度為75.10 m。本工程結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其中大跨度宴會(huì)廳位于裙樓第5 層，該宴會(huì)廳屋面結(jié)構(gòu)采用18.8 m 跨度的單向鋼屋架，兩榀鋼屋架間距為7.2 m，屋面為預(yù)制混凝土蓋板結(jié)構(gòu)，宴會(huì)廳屋面結(jié)構(gòu)布置如圖1 所示。整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)系由縱向鋼屋架、橫向3榀支撐、檁條等組成，鋼屋架鉸接于兩端混凝土柱牛腿及剪力墻牛腿上。

圖1 宴會(huì)廳原屋面結(jié)構(gòu)布置Fig.1 The Layout of the Original Roof Structure of the Banquet Hall

因大跨度鋼屋架屋面結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用后，出現(xiàn)屋面嚴(yán)重漏水等問題，業(yè)主擬翻新宴會(huì)廳的屋面，并重新安裝設(shè)備管道及吊頂。同時(shí)業(yè)主要求保證宴會(huì)廳鋼屋架交叉節(jié)點(diǎn)處吊掛荷載能滿足宴會(huì)功能要求（按集中力1 kN 設(shè)計(jì)）。綜合考慮屋面荷載增加較多，為此需對(duì)原鋼屋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行改造加固，保證改造后的鋼屋架屋面能滿足屋面荷載以及懸吊荷載的要求。

2 結(jié)構(gòu)分析模型建立

2.1 荷載取值

2.1.1 豎向荷載

宴會(huì)廳屋面結(jié)構(gòu)上的豎向荷載主要有恒荷載和活荷載2種，恒荷載（不包含結(jié)構(gòu)自重）計(jì)算如下：屋面建筑做法重量為2.5 kN∕m2，屋面下設(shè)備管道及吊頂重量為0.7 kN∕m2，4個(gè)下弦節(jié)點(diǎn)處吊掛荷載各為1 kN；活荷載計(jì)算如下：不上人屋面荷載為0.5 kN∕m2，本工程所在地區(qū)基本雪壓為0.4 kN∕m2，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009-2012》［1］考慮高低屋面的影響，確定其屋面積雪分布系數(shù)為2，取本工程雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.8 kN∕m2，不上人屋面荷載與雪荷載不同時(shí)考慮。

2.1.2 地震作用

本工程抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，基本加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期為0.35 s。鋼結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施按四級(jí)抗震要求考慮。

2.1.3 溫度作用

本工程所在地月平均最高氣溫為36 ℃，月平均最低氣溫為-4 ℃，擬定鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度為（20±5）℃，故結(jié)構(gòu)最大升溫工況為+21 ℃，結(jié)構(gòu)最大降溫工況為-29 ℃。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面

宴會(huì)廳原鋼屋架構(gòu)件截面及材料如圖2 和表1 所示，鋼屋架構(gòu)件尺寸如圖3所示。

圖2 原鋼屋架構(gòu)件編號(hào)Fig.2 Numbering of Original Steel Roof Truss Parts

表1 原鋼屋架構(gòu)件材料Tab.1 Material of Original Steel Roof Truss Parts

圖3 原鋼屋架構(gòu)件尺寸Fig.3 Dimensional of the Original Steel Roof Truss

2.3 計(jì)算模型

宴會(huì)廳鋼屋架兩端鉸支于主體結(jié)構(gòu)框架柱及剪力墻牛腿上，為簡(jiǎn)化計(jì)算，原有屋架采用PKPM 進(jìn)行單榀分析，驗(yàn)算原有鋼屋架是否滿足承載力要求。然后根據(jù)選擇的加固方法，采用三維分析軟件SAP2000對(duì)屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算分析。

3 原鋼屋架核算

對(duì)于改造加固工程，需按文獻(xiàn)［2］對(duì)原鋼屋架進(jìn)行驗(yàn)算分析。原鋼屋架構(gòu)件鋼材為3 號(hào)鋼，檢測(cè)報(bào)告表明現(xiàn)場(chǎng)查看鋼屋架構(gòu)件無(wú)明顯銹蝕，故不考慮鋼材強(qiáng)度的折減。該鋼屋架驗(yàn)算時(shí)主要考慮的荷載工況［1］如下：①恒荷載+滿跨活荷載；②恒荷載+左半跨活荷載；③恒荷載+右半跨活荷載；④恒荷載+活荷載+地震作用；⑤恒荷載+活荷載+溫度作用。各工況取包絡(luò)值后的計(jì)算結(jié)果［2］如表2所示。

表2 原鋼屋架構(gòu)件內(nèi)力及應(yīng)力比Tab.2 Internal Force and Stress Ratio of Original Steel Roof Truss Components

在恒荷載及活荷載的共同作用下部分桿件的穩(wěn)定應(yīng)力比和強(qiáng)度應(yīng)力比超過1.0，超過規(guī)范限值要求，表明鋼屋架承載能力不滿足所需要求。為滿足業(yè)主要求改造屋面并保證結(jié)構(gòu)的安全，有效提高鋼屋架的承載能力，需要對(duì)原鋼屋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。

4 鋼屋架加固方案的選擇

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范：CECS 77：96》［3］，并結(jié)合本工程的實(shí)際情況，在方案比選階段提出3 種加固設(shè)計(jì)方案：①采用角鋼上粘貼鋼板加大構(gòu)件截面法，增大角鋼強(qiáng)度和剛度，提高構(gòu)件承載力及穩(wěn)定性能；②采用角鋼焊接型鋼加大構(gòu)件截面法，改變構(gòu)件截面類型提高構(gòu)件承載力及穩(wěn)定性能；③改變受力路徑法，利用原屋面的型鋼檁條，在原鋼屋架的垂直方向新增兩榀鋼屋架，使原先的單向受力形式改為雙向受力形式，大大增加結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力［4-9］。

采用方案①，加固工作量較少，操作較為方便。但是粘鋼加固時(shí)，舊鋼屋架表面除銹后難以打磨，影響粘貼鋼板的效果。而且舊鋼屋架構(gòu)件的截面較小，可粘鋼面積較小，經(jīng)計(jì)算對(duì)構(gòu)件的實(shí)際承載力提高較小。

采用方案②，在原有桿件焊接容易引起焊縫應(yīng)力，對(duì)原有鋼屋架受力性能產(chǎn)生不利影響。焊接型鋼后，改變了構(gòu)件截面類型，相應(yīng)的會(huì)改變構(gòu)件的形心，引起構(gòu)件受力偏心從而產(chǎn)生偏心彎矩，對(duì)構(gòu)件的受力狀態(tài)有一定影響。

采用方案③，單向受彎的單向鋼屋架轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受彎的雙向鋼屋架，新增鋼屋架與原鋼屋架共同受力，結(jié)構(gòu)承載能力得到較大提高，結(jié)構(gòu)冗余度增加。

經(jīng)對(duì)比分析，因本工程新增荷載較多，經(jīng)計(jì)算分析表明改變受力路徑方案更適用于本次加固改造。采用此方案的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于新增鋼屋架的支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、新增鋼屋架與原鋼屋架連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

5 鋼屋架加固方案的設(shè)計(jì)

新增鋼屋架上弦利用原結(jié)構(gòu)檁條（工字鋼40c），下弦為寬翼緣H 型鋼（HW200×200）置于原鋼屋架下弦以下，腹桿采用雙角鋼與上下弦桿連接，雙向鋼屋架布置如圖4所示。

圖4 雙向鋼屋架布置Fig.4 Layout of Two-way Steel Roof Truss

采用PKPM 分析軟件中STS模塊對(duì)原鋼屋架桿件進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算得到的桿件內(nèi)力如表1 所示。根據(jù)文獻(xiàn)［3］中構(gòu)件未加固時(shí)名義應(yīng)力：

式中：σ0max為加固前原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大應(yīng)力；fy0為原構(gòu)件鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，滿足上式要求可進(jìn)行不卸荷焊接加固。

計(jì)算結(jié)果表明對(duì)原鋼屋架進(jìn)行加固改造前，需要卸載原有荷載，為此拆除原有預(yù)制混凝土蓋板，重新采用組合樓蓋作為新的屋面板。利用原有工字鋼檁條形成新的主次梁布置，然后澆筑閉口型壓型鋼板。

采用SAP2000 計(jì)算程序?qū)π碌碾p向屋架屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析所得各桿件最大應(yīng)力比值如圖5 所示。其中原鋼屋架所有桿件中，應(yīng)力比最大的桿件為端部的斜腹桿，其應(yīng)力比為0.817，滿足規(guī)范要求。新增鋼屋架所有桿件中，應(yīng)力比最大的桿件為端部上弦桿，其應(yīng)力比為0.836，亦滿足規(guī)范要求。

圖5 雙向鋼屋架應(yīng)力比Fig.5 Stress Atio of Two-way Steel Roof Truss

6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于新增鋼屋架需要與原有框架柱和剪力墻進(jìn)行連接，考慮到大跨度鋼屋架在水平荷載下的滑移，采用新增鋼牛腿作為支座來擱置鋼屋架下弦桿的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)詳圖如圖6所示，其中鋼屋架一端在鋼牛腿上固定，另一端采用長(zhǎng)螺栓孔保證在鋼牛腿上滑動(dòng)。

圖6 新鋼屋架與原框架柱連接節(jié)點(diǎn)Fig.6 The Joint between the New Steel Roof Truss and the Original Frame Column

為保證新增鋼屋架與原鋼屋架共同協(xié)調(diào)受力，兩個(gè)不同方向鋼屋架相交處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須起到相應(yīng)的作用。新增鋼屋架上弦利用原檁條形成，檁條連接處位于鋼屋架相交處，因此檁條采用節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行剛性連接，并用較大的節(jié)點(diǎn)板與原鋼屋架上弦節(jié)點(diǎn)板焊接。新增鋼屋架下弦置于原鋼屋架下弦以下，托住原鋼屋架，采用較大的節(jié)點(diǎn)板與原鋼屋架下弦節(jié)點(diǎn)焊接，節(jié)點(diǎn)做法如圖7所示。

圖7 新舊鋼屋架下弦連接節(jié)點(diǎn)Fig.7 Lower-string Connection Nodes of Old and New Steel Roof Trusses

7 新增鋼屋架施工注意事項(xiàng)

⑴加固前，搭設(shè)防墜落支撐措施，拆除原屋面做法及預(yù)制板，鋼屋架底根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件設(shè)置施工支撐。

⑵在原鋼屋架下弦各節(jié)點(diǎn)處增設(shè)臨時(shí)支撐卸載結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重并適當(dāng)反拱，根據(jù)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重計(jì)算各個(gè)千斤頂施加的頂力不超過6 kN，保證施工過程中原有鋼構(gòu)件應(yīng)力比不超過0.55［10］。

⑶對(duì)所有加固節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查驗(yàn)收，所有焊縫按規(guī)范要求進(jìn)行外觀及探傷檢查。

⑷新增鋼屋架與原屋架焊接完成、各支座節(jié)點(diǎn)施工完成并通過驗(yàn)收后，鋪設(shè)組合樓板并澆筑。

⑸待樓板混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后，各下弦節(jié)點(diǎn)臨時(shí)支柱千斤頂對(duì)稱均勻卸載，并放置在原位。觀測(cè)鋼屋架的變形，觀測(cè)時(shí)間不得少于36 h，待變形穩(wěn)定后方可完全拆除支撐。

8 結(jié)語(yǔ)

⑴對(duì)于單向受彎的鋼屋架屋面結(jié)構(gòu)，通過采用改變受力路徑的方式進(jìn)行加固，將單向受彎鋼屋架轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受彎鋼屋架，較大地增加了結(jié)構(gòu)剛度和承載力。

⑵新舊鋼屋架通過采用可靠的節(jié)點(diǎn)連接及有效的施工措施，可以保證變形協(xié)調(diào)，協(xié)同受力，從而使得結(jié)構(gòu)能滿足承載力和變形的要求。

⑶采取有效的施工措施，合理的施工順序是保證新舊鋼屋架共同受力的關(guān)鍵，在加固改造設(shè)計(jì)過程中，須考慮施工過程中的各項(xiàng)影響。