鋼結(jié)構(gòu)廠房加固改造設(shè)計

摘要：鋼結(jié)構(gòu)工程目前現(xiàn)代化建筑工程主要的建筑結(jié)構(gòu)類型之一，具有諸多的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于城市建筑行業(yè)當(dāng)中。本文結(jié)合工程應(yīng)用實例，重點探討了鋼結(jié)構(gòu)廠房的加固改造設(shè)計工作，并通過方案比選工作選擇最優(yōu)的加固改造方案，為類似工程的研究工作提供借鑒意義。 

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；屋蓋體系；改造設(shè)計；方案比選 

　　隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，城市工業(yè)廠房、高層建筑等類似的建筑物數(shù)量日益增加，這對建筑物結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全也提出了更高的要求。鋼結(jié)構(gòu)是一種以鋼制作為主的結(jié)構(gòu)形式，具有造價低、強度高、整體剛性好、自重輕和施工速度快等優(yōu)點，比較適用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。但是，目前一些鋼結(jié)構(gòu)廠房在檢測過程中存在結(jié)構(gòu)體系不合理、節(jié)點做法錯誤和鋼梁承載力不足等不滿足規(guī)范的現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅到鋼結(jié)構(gòu)廠房的質(zhì)量安全，一旦發(fā)生事故，甚至?xí)�造成不可挽回的人員傷亡及財產(chǎn)損失。因此，施工人員必須加強鋼結(jié)構(gòu)廠房加固改造設(shè)計工作的研究力度，并采取合理的加固改造方案，最大限度確保鋼結(jié)構(gòu)廠房的整體質(zhì)量安全。 

　　1 工程概況 

　　某生產(chǎn)車間單層輕型鋼結(jié)構(gòu)廠房縱向約為90.5m，橫向一邊長約為50.5m，另一邊長約為44.3m，建筑面積約為4035m2。采用條形基礎(chǔ)，基底標(biāo)高為-0.700m。 

　　經(jīng)現(xiàn)場檢測及結(jié)構(gòu)驗算，不滿足規(guī)范要求有：（1）屋面檁條間未設(shè)置撐桿和拉條；（2）屋架之間未設(shè)置水平支撐和系桿；（3）未設(shè)置柱間支撐；（4）�軸與⑧軸處的排架柱遭撞擊導(dǎo)致局部屈曲。 

　　廠房未經(jīng)正規(guī)設(shè)計院設(shè)計，對上述不滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固。 

　　2 屋蓋體系加固優(yōu)化設(shè)計 

　　2.1 加固方案比選 

　　方案一：卸除廠房原有的彩鋼板，代之以預(yù)應(yīng)力混凝土大型屋面板屋面，將屋面板直接焊接在屋架上，板之間用細(xì)石混凝土灌縫�；炷�土大型屋面板尺寸為1.5m×7.5m，混凝土屋面板需另設(shè)找平和隔熱層，加上鋪小石子的油氈防水層，荷載為2.5～3kN/m2，屋蓋承重結(jié)構(gòu)截面尺寸較大。 

　　方案二：在原廠房基礎(chǔ)上合理增設(shè)屋面支撐系統(tǒng)。 

　　就加固后屋蓋體系整體性而言，方案一優(yōu)于方案二，大型屋面板可有效傳遞水平荷載，但屋面荷載顯著增大，需對屋架和排架柱等多個受力體系進(jìn)行加固，造成加固成本急劇上升和加固周期延長。在原廠房上合理增設(shè)屋面支撐系統(tǒng)，可使廠房滿足空間剛度和整體穩(wěn)定性，因加固而增加的屋面荷載較小，減小對其他受力體系的影響，且加固成本低、易操作。綜上所述，在對兩方案優(yōu)缺點進(jìn)行比較后，決定采用方案二，即在原廠房基礎(chǔ)上合理增設(shè)屋面支撐系統(tǒng)，以達(dá)到對屋蓋體系加固的目的。 

　　2.2 加固設(shè)計 

　　1）增設(shè)屋面拉條、斜拉條和檁條撐桿 

　　由于屋面檁條間因未設(shè)置拉條、斜拉條和檁條撐桿，各檁條無法組成穩(wěn)定的受力體系，因此應(yīng)增設(shè)拉條、斜拉條和檁條撐桿。拉條采用圓鋼，通過螺栓與檁條連接。在屋脊和檐撐桿以受壓，撐桿由拉條外套圓鋼管組成。為形成幾何不變體系，應(yīng)同時增設(shè)斜拉條。加固時應(yīng)注意，由于冷彎薄壁C形檁條自身抗扭轉(zhuǎn)剛度很弱，在豎向荷載作用下，由于檁條的重心與形心不重合，這就產(chǎn)生了一個扭轉(zhuǎn)力矩，因此拉條應(yīng)設(shè)在距檁條上翼緣1/3腹板高度的范圍內(nèi)，使拉條拉力產(chǎn)生抵抗力矩，防止檁條發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。拉條如圖3所示。拉條作為檁條的側(cè)向支撐點，同時受拉和受壓，因此應(yīng)在屋脊和檐口的檁條間增設(shè)。 

　　2）增設(shè)屋面水平支撐和系桿 

　　由于生產(chǎn)車間未設(shè)置屋面水平支撐和系桿，導(dǎo)致水平風(fēng)荷載無法有效傳遞，各剛架無法組成空間穩(wěn)定體系，房屋縱向剛度不足，因此應(yīng)增設(shè)屋面水平支撐和系桿。系桿采用圓鋼管，沿廠房縱向通長設(shè)置；水平支撐采用交叉單角鋼，以減小屋架平面外側(cè)移。 

　　2.3 驗算加固結(jié)果 

　　采用SAP2000軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，為簡化計算，取廠房主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，同時對天窗進(jìn)行簡化處理。在永久荷載、活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載、水平地震作用下按照SAP2000的工況組合，增設(shè)的拉條、系桿和水平支撐承載力均能滿足要求。通過對桿件在有地震參與的最不利工況組合的內(nèi)力，與無地震參與的最不利工況組合的內(nèi)力的對比，發(fā)現(xiàn)地震對拉條、系桿和水平支撐承載力不起控制作用。 

　　3 柱間支撐加固優(yōu)化設(shè)計 

　　3.1 柱間支撐加固方案選擇 

　　沿廠房每一縱向柱列增設(shè)柱間支撐，以保證廠房的縱向穩(wěn)定和空間剛度，使縱向水平荷載通過柱間支撐傳至基礎(chǔ)。擬在每一縱向柱列的中部和從端部起第二榀框架分別增設(shè)柱間支撐，使柱間支撐與屋蓋橫向水平支撐在同一柱距內(nèi)，具體位置見圖2。 

　　本工程中生產(chǎn)車間采用單階柱，為使柱間支撐和屋蓋橫向水平支撐形成空間體系，提高廠房縱向剛度，使屋蓋橫向水平支撐與柱間支撐在同一柱間，即每一柱列設(shè)置3道上段柱和下段柱柱間支撐；因生產(chǎn)車間采用格構(gòu)柱，考慮到雙片支撐易使兩個柱肢受力均勻，且支撐斜桿與翼緣節(jié)點板焊接時更易操作，上段柱和下段柱柱間支撐均采用雙片支撐；對于上柱因柱距與柱間支撐的高度之比大于2.5，故上段柱柱間支撐采用八字形支撐；對于下柱，因十字形交叉支撐傳力直接、構(gòu)造簡單，用料較省且剛度大，故下段柱柱間支撐均采用十字形交叉支撐。 

　　3.2 柱間支撐計算 

　　1）荷載計算 

　�。�1）縱向風(fēng)荷載：由廠房一端或兩端的山墻及天窗架端壁傳來的集中風(fēng)荷載W，并應(yīng)根據(jù)山墻結(jié)構(gòu)包括抗風(fēng)柱和抗風(fēng)桁架的布置，分別計算作用在屋架下弦端支座處的風(fēng)荷載W1，作用于吊車梁頂面處的風(fēng)荷載W2。 

　　（2）單軌吊車縱向剎車荷載T可按下式計算： 

　　式中：T為同一柱列吊車梁上由2臺起重量最大的單軌吊車所有剎車輪的最大輪壓之和。 

　�。�3）作用于每道柱間支撐節(jié)點上的縱向水平荷載如圖3所示。 

　　（4）在計算支撐內(nèi)力時一般都假設(shè)節(jié)點為鉸接，并忽略偏心影響，當(dāng)在同一溫度區(qū)段內(nèi)的同一柱列設(shè)有兩道以上柱間支撐時，則該柱列的全部縱向水平荷載由該柱列所有支撐共同承擔(dān)。 　　2）柱間支撐截面形式 

　　本工程因車間采用格構(gòu)柱，考慮到雙片支撐易使兩個柱肢受力均勻，支撐斜桿與翼緣節(jié)點板焊接時更易操作，上段柱和下段柱柱間支撐均采用雙片支撐，其截面形式采用等邊或不等邊角鋼。 

　　3.3 計算假定 

　　對永久荷載、活荷載、雪荷載、積灰荷載、風(fēng)荷載、水平地震作用、單軌吊車剎車作用進(jìn)行荷載組合，以此驗算結(jié)構(gòu)在各種工況組合下的變形和位移，確定排架柱最大位移和各構(gòu)件的最不利內(nèi)力組合，通過對主要構(gòu)件在無地震參與的工況組合下的內(nèi)力與有地震參與的工況組合下的內(nèi)力進(jìn)行對比，以確定地震是否對廠房的受力起控制作用。 

　　承受水平風(fēng)荷載面積大小根據(jù)�軸縱向排架柱列進(jìn)行位移計算，各行框排架計算均按平面框排架計算，排架柱列為超靜定結(jié)構(gòu)，對格構(gòu)柱及橫梁均應(yīng)確定其換算慣性矩，在進(jìn)行構(gòu)件剛度計算時，格構(gòu)柱及橫梁均按等效實腹構(gòu)件等代。 

　　3.4 計算結(jié)果 

　　用SAP2000程序分析此結(jié)構(gòu)，共給出12個振型，前6個振型對結(jié)構(gòu)的地震作用效應(yīng)起控制作用，取6個振型進(jìn)行分析計算。振型一：T1=1.98s，振型二：T2=0.56s，振型三：T3=1.19s，振型四：T4=0.67s，振型五：T5=0.55s，振型六：T6=0.47s。在縱向和橫向風(fēng)荷載組合作用下，生產(chǎn)車間柱頂最大水平位移為32.1mm，小于規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載作用下的變位限值H/500。生產(chǎn)車間在風(fēng)荷載作用下的變形。地震組合的內(nèi)力不起控制作用，截面均按非地震的不利組合計算。 

　　4 排架柱加固優(yōu)化設(shè)計 

　　4.1 加固設(shè)計方案比選 

　　排架柱下柱距室內(nèi)地面約1.5m處曾遭撞擊，柱身和綴板局部屈曲影響排架柱的承載力和穩(wěn)定性。 

　　方案一：增設(shè)支撐構(gòu)件以改變計算簡圖的方法會占據(jù)此排架柱與鄰柱的空間，對以后生產(chǎn)造成不便；托梁換柱或托梁截柱的方法工作量大施工復(fù)雜，況且此排架柱只是局部屈曲，更換或截斷整根柱會造成不必要的浪費。 

　　方案二：采用在柱身四周外包鋼筋混凝土加固的方法，雖能大幅提高柱身承載力，但會影響被加固柱周圍的使用空間，施工周期長且加固后柱身剛度發(fā)生明顯變化，易造成節(jié)點板等銜接處焊縫受力不均勻。 

　　方案三：對此排架柱遭撞擊部位周圍加焊鋼板以補強柱截面，可提高鋼柱的承載力，在生產(chǎn)車間不停產(chǎn)的狀態(tài)下負(fù)荷補強，施工周期短、操作簡單方便，加固后與鄰柱的空間基本無影響。 

　　綜合考慮上述加固方案的優(yōu)缺點后擬采用方案三，加固做法如圖4所示。 

　　4.2 加固設(shè)計分析 

　　1）加固用材 

　　材料強度取值：屋架、柱采用Q235鋼，f=215N/mm2，fv=125N/mm2。 

　　2）承載力計算 

　　采用10mm厚Q235鋼板，焊腳尺寸為hf=6mm的側(cè)面角焊縫（ =160N/mm2）。 

　　加固截面強度、排架平面內(nèi)穩(wěn)定性、排架平面外穩(wěn)定性、腹板局部穩(wěn)定計算滿足要求。取焊縫長度為300mm，屈曲部位上下各150mm。 

　　5 結(jié)語 

　　通過探討鋼結(jié)構(gòu)廠房加固改造設(shè)計工作，筆者總結(jié)出以下幾點結(jié)論：①屋蓋體系是確保廠房剛度及穩(wěn)定性的重要支撐及系桿，加固是需要合理增設(shè)屋面支撐；②柱間支撐是廠房縱向的主要抗側(cè)力構(gòu)件，合理增設(shè)柱間支撐可以滿足廠房的縱向穩(wěn)定和空間剛度要求；③本工程排架柱需要采取加焊鋼板補強柱截面的加固方法來提高鋼柱承載力，以滿足 鋼結(jié)構(gòu)廠房結(jié)構(gòu)安全的需要。 

　　參考文獻(xiàn)： 

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　　[2] 武英杰.懸臂梁-斜撐鋼結(jié)構(gòu)平臺改造加固設(shè)計[J].低溫建筑技術(shù).2013年第05期