王志剛，蔡冰榕，余漢謀，趙崇銳

(廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000)

0 前 言

隨著我國工業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，輕型鋼結(jié)構(gòu)體系被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中。其中，最為普遍的是輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于廠房、展館、體育館、大農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)及臨建等。

輕型鋼結(jié)構(gòu)是以壓型板材為主的輕型板材作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的門式鋼架輕型結(jié)構(gòu)。由于其擁有建造成本低、施工周期短、所用材料少等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著輕型鋼結(jié)構(gòu)形式的高速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，同時(shí)國家在新農(nóng)村建設(shè)方面的投入加大，輕型鋼結(jié)構(gòu)也應(yīng)用于畜牧養(yǎng)殖場(chǎng)等農(nóng)畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)中。和其他類型房屋相比，門式鋼架輕鋼結(jié)構(gòu)房屋屋面具有面積大、遮擋少、日照良好、易于太陽能電池板支架安裝這四大優(yōu)勢(shì)，因而成為目前大規(guī)模太陽能電池板安裝場(chǎng)所的最佳選擇。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)主要由鋼架、屋面、墻面及支撐構(gòu)件組成。其結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)。

1.1 質(zhì)量輕

采用門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)用鋼量比為采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)總量輕90%，比采用普通鋼結(jié)構(gòu)重量輕60%。

1.2 施工周期短

輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)屬于裝配式建筑結(jié)構(gòu)，只需要進(jìn)行基礎(chǔ)施工，其主要構(gòu)件及配件均來自于工廠的預(yù)先制作，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后只需要進(jìn)行安裝即可。

1.3 柱網(wǎng)布置靈活

因輕型門式鋼架結(jié)構(gòu)的圍護(hù)體系采用金屬壓型鋼板，只需要按照要求和用鋼量最省的原則確定柱距的大小即可，不需要考慮模數(shù)對(duì)柱網(wǎng)布置的影響。

2 加固設(shè)計(jì)

由于待加固工業(yè)廠房一般都在正常使用，若因施工而減產(chǎn)或停產(chǎn)，造成的損失比結(jié)構(gòu)加固費(fèi)用高出許多。因此，加固設(shè)計(jì)方案應(yīng)盡可能保證原有工業(yè)廠房正常使用功能不受或盡量少受影響。

由于需要加固的廠房結(jié)構(gòu)在加固前已經(jīng)是在承受荷載的狀態(tài)，加固施工時(shí)可能會(huì)因焊接起原有的構(gòu)件而產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中或焊接變形。因此，加固設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能減少焊接量，盡可能消除焊接變形和焊接殘余應(yīng)力以免對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

加固施工一般都為高空作業(yè)且施工操作面較小、施工難度較大，應(yīng)盡量選取加固工程量相對(duì)較小，且便于施工的設(shè)計(jì)方案。

在加固施工前，要做好結(jié)構(gòu)施工安全充分的安全評(píng)估，對(duì)于安全評(píng)估較低的結(jié)構(gòu)需要做好安全措施，避免二次事故的發(fā)生。

3 加固方法

3.1 構(gòu)件加固

鋼結(jié)構(gòu)加固方法主要有:增加截面法；改變結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖法；減輕荷載法；增加構(gòu)件、支撐和加勁肋法；增強(qiáng)連接等五種。鋼結(jié)構(gòu)加固方法的選擇主要影響因素有：施工方法、工程條件、施工周期和預(yù)期效果等。同時(shí)，加固件與原結(jié)構(gòu)要能夠工作協(xié)調(diào)，并且不過多地?fù)p傷原結(jié)構(gòu)和產(chǎn)生過大的附加變形。

3.1.1 按受力方式分類進(jìn)行加固

1)不改變結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的加固。結(jié)合構(gòu)件現(xiàn)狀，如已有缺陷和損傷而選擇合適的截面形式，以提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。例如：在平面外穩(wěn)定應(yīng)力控制的鋼架柱，可在鋼架柱腹板對(duì)稱位置上焊接T型鋼，以提高其平面外穩(wěn)定性；在平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力控制的鋼架柱或鋼架梁，可在鋼架柱或梁的受壓側(cè)腹板位置上焊接T型鋼板，以提高其平面內(nèi)穩(wěn)定性。同時(shí)采用加焊T形鋼方案則意味著更大的焊接量和更大的焊接變形風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)此應(yīng)特別慎重考慮。

2)改變結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的加固。結(jié)合構(gòu)件現(xiàn)狀，有效選取改變荷載分布情況、修改傳力途徑、改變節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件、增設(shè)附加桿件和支撐、加載預(yù)應(yīng)力等措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，以提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。例如：增加中間支座或?qū)⒑?jiǎn)支結(jié)構(gòu)端部連接為連續(xù)結(jié)構(gòu)(對(duì)檁條的加固)；當(dāng)廠房上部?jī)艨兆銐驎r(shí)，可以原屋面梁作為桁架上弦桿，另外增設(shè)桁架下弦桿和腹桿組成平面桁架。

3.1.2 按施工流程分類進(jìn)行加固

1)在負(fù)荷狀態(tài)下加固。該加固方法構(gòu)造簡(jiǎn)單,施工便利性高，造價(jià)性價(jià)比高，且屬于加固工作量最小也最簡(jiǎn)單的方法之一，但為保證結(jié)構(gòu)的安全應(yīng)要求原結(jié)構(gòu)的承載力具有超過20%的安全余量。在負(fù)荷狀態(tài)下增加較小焊縫厚度時(shí)，原有焊縫的承載能力去掉焊接熱影響區(qū)長(zhǎng)度承載力后，應(yīng)大于外荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力，并且構(gòu)件應(yīng)沒有嚴(yán)重的損傷。例如：將單片薄壁鋼板與C型鋼檁條的開口側(cè)卷邊用自攻螺釘連接，對(duì)提高構(gòu)件的極限承載力及抗彎剛度具有明顯作用；同時(shí)，綴板的間距與抗彎剛度及極限承載力有關(guān)聯(lián)影響較大。

2)卸載加固。結(jié)構(gòu)損傷較嚴(yán)重或構(gòu)件及接頭的應(yīng)力很高，或者補(bǔ)強(qiáng)施工不得不臨時(shí)削弱承受很大內(nèi)力的構(gòu)構(gòu)件及連接時(shí)，需要暫時(shí)減輕其負(fù)荷時(shí)，采用卸載回固法。對(duì)如吊車梁類以主要承受移動(dòng)荷載為主的結(jié)構(gòu)，限制其移動(dòng)荷載與部分卸載相當(dāng)。對(duì)于某些無法在原有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的構(gòu)件，應(yīng)及時(shí)更換或返廠補(bǔ)強(qiáng)。此時(shí)，應(yīng)將結(jié)構(gòu)構(gòu)件荷載全部卸載。

3.2 連接件加固

鋼結(jié)構(gòu)主要連接方法分別有焊接、鉚接、螺栓連接。鋼結(jié)構(gòu)連接加固可主要采用焊接、摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接及兩者混合連接。連接件的加固問題主要有三種情況。

1)原有連接承載能力不足需要加固的情況。最直接有效的辦法就是將鉚釘連接變?yōu)槁菟ㄟB接，同時(shí)增加螺栓強(qiáng)度、數(shù)量。

2)原構(gòu)件承載能力不足需要加固的情況。主要加固方案是將加固件與原有構(gòu)件通過可靠的連接形成統(tǒng)一整體。

3)節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度不足需要加固的情況。一般采取的方法有增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)板、增加連接件數(shù)量和強(qiáng)度、增加獨(dú)立焊縫等。

連接加固方案還應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)需要、加固原因、受力情況、構(gòu)件現(xiàn)狀及施工條件等多種原因，同時(shí)考慮原有的連接方式選擇適合的方案。

4 實(shí) 例

4.1 工程概況

本工程為廣東省江門市華睦五金有限公司-車間五鋼結(jié)構(gòu)廠房，結(jié)構(gòu)形式為屋面輕鋼門式鋼架。該廠房屋面擬加建光伏發(fā)電系統(tǒng)，屋面將增加不超過0.15 kN/m2的光伏恒荷載，為確保加建光伏發(fā)電系統(tǒng)后廠房的結(jié)構(gòu)安全，需要對(duì)原廠房進(jìn)行承載力復(fù)核驗(yàn)算。

4.2 結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算

4.2.1 材料性能

該廠房鋼梁、鋼柱采用Q235B鋼，檁條采用Q345B鋼，其他構(gòu)件均采用Q235B。

4.2.2 屋面荷載

根據(jù)原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)使用荷載及太陽能光伏系統(tǒng)重量數(shù)據(jù)，按現(xiàn)行規(guī)范對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行加建計(jì)算，主要參數(shù)見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)-車間五鋼結(jié)構(gòu)安裝光伏系統(tǒng)后荷載變化

4.2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算程序

結(jié)構(gòu)計(jì)算程序使用的是中國建筑設(shè)計(jì)研究院編制的《PKPM系列STS20010V3.2版》。

4.2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

依據(jù)原設(shè)計(jì)荷載及統(tǒng)計(jì)增加的太陽能發(fā)電統(tǒng)荷載進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下。

1)GJ-1鋼架：①剛架最大應(yīng)力比為0.95<1.0，應(yīng)力計(jì)算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/248<1/180，撓度計(jì)算滿足要求；

2)GJ-2鋼架:①剛架最大應(yīng)力比為0.94<1.0，應(yīng)力計(jì)算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/248<1/180，撓度計(jì)算滿足要求；

3)GJ-3鋼架:①剛架最大應(yīng)力比為0.82<1.0，應(yīng)力計(jì)算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/600<1/180，撓度計(jì)算滿足要求；

4)GJ-4鋼架:①剛架最大應(yīng)力比為0.70<1.0，應(yīng)力計(jì)算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/699<1/180，撓度計(jì)算滿足要求；

5)GJ-6鋼架:①剛架最大應(yīng)力比為0.94<1.0，應(yīng)力計(jì)算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/289<1/180，撓度計(jì)算滿足要求；

6)屋面簡(jiǎn)支檁條計(jì)算：

(1)中間跨：(C220×75×20×2.2，8.5 m)

強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力(N/mm2)：233.510≤300

風(fēng)吸力作用下翼緣受壓穩(wěn)定最大應(yīng)力(N/mm2)：135.882≤300

撓度驗(yàn)算，最大撓度(mm)：40.991<42.500

(2)中間跨：(C220×75×20×2.0，6.75 m)

強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力(N/mm2)：112.974≤300

風(fēng)吸力作用下翼緣受壓穩(wěn)定最大應(yīng)力(N/mm2)：82.034≤300

撓度驗(yàn)算，最大撓度(mm)：16.204≤33.750

(3)中間跨：(2C200×70×20×2.2(背對(duì)背)，10.3 m)

強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力(N/mm2)：131.888 ≤300

風(fēng)吸力作用下翼緣受壓穩(wěn)定最大應(yīng)力(N/mm2)：114.388≤300

撓度驗(yàn)算，最大撓度(mm)：48.351≤51.500

(4)中間跨：(C200×70×20×2.0，6.75 m)

強(qiáng)度計(jì)算最大應(yīng)力(N/mm2)：181.150≤300

風(fēng)吸力作用下翼緣受壓穩(wěn)定最大應(yīng)力(N/mm2)：139.412≤300

撓度驗(yàn)算，最大撓度(mm)：26.873≤33.750

4.3 加固施工方案

本項(xiàng)目的加固方案主要采取加固檁條節(jié)點(diǎn)(如圖1所示)、在外側(cè)翼緣粘帖鋼板、鋼架柱腹板對(duì)稱位置上焊接T型鋼及鋼架柱的受壓側(cè)腹板位置上焊接T型鋼板的方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

4.4 結(jié) 論

經(jīng)驗(yàn)算，布置太陽能光伏系統(tǒng)重量不大于0.15 kN/m2，輕鋼屋面加固(見圖1)后，承載滿足規(guī)范要求，廠房屋面檁條承載力滿足要求。故該輕鋼屋面可布置太陽能光伏系統(tǒng)。

圖1 加固檁條節(jié)點(diǎn)

5 結(jié) 語

本文基于輕鋼結(jié)構(gòu)門式鋼架加固實(shí)例，介紹了輕鋼結(jié)構(gòu)及檁條的常見破壞形式及其加固措施。通過實(shí)例說明，在安裝太陽板之前對(duì)屋面檁條及主鋼架進(jìn)行鑒定并做加固處理是十分必要的。避免盲目對(duì)太陽板進(jìn)行安裝而產(chǎn)生的安全隱患，提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性，保證了生產(chǎn)安全。

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