钢结构厂房加固技术探讨及实例

路 慧 军

(山西太钢工程技术有限公司,山西 太原 030009)

钢结构厂房加固技术探讨及实例

路 慧 军

(山西太钢工程技术有限公司,山西 太原 030009)

以太原市某钢结构厂房为例，根据现场实际情况，经过验算分析，制定了优化的加固及封闭设计方案，完成了钢结构的加固，维护封闭和设计的优化，为今后处理钢结构加固的问题提供了参考依据。

加固，钢结构，封闭，梁柱，连续檩条

在工业建筑中，随着经济条件的不断改善和发展，钢结构建筑以其自重轻，抗震性能好，施工快捷，污染少而受到用户广泛青睐，尤其在厂房结构中，钢结构所占的比例越来越大，对钢结构厂房的研究也逐步深入。同时，对既有钢结构厂房建筑的改造加固问题也成为我们经常在设计施工中遇到的一个问题，现就加固中经常遇到的问题结合我们在工程中遇到的一个实际案例进行分析研究，共同探讨。

引起结构加固的主要原因有以下几种：1)工艺条件的改变；2)荷载的增加，如加设保温层，加大吊车起重量；3)意外的损害，如火灾或其他自然灾害等；4)设计、施工造成的缺陷；5)钢材质量不符合要求；6)使用过程中的磨损及非正常操作造成的磨损等。

结构的加固是一项复杂和艰巨的工作，要考虑的因素很多，应在详细勘察现有状态和了解历史使用情况的前提下，通过结构验算并结合施工条件具体情况具体分析。加固的方法应该施工方便、经济合理。钢结构加固的主要方法包括：1)减轻荷载，改用轻质材料或其他方法降低结构承担的重量，这是最为简单和直接的方法，只要验算满足规范要求，无需再采用补救措施；2)改变结构静力计算图形，调整结构应力，使内力重新分配计算，改善被加固构件受力情况，减少加固工作量。主要办法包括：增加支撑加强结构刚度，调整结构的周期和频率，提高抗震性能；增设支撑或辅助杆件以减少构件长细比；重点加强局部构件强度，以承受大部分水平剪力，减轻其他构件负荷；设置拉杆加强结构刚度，减小挠度；变更端部固定情况，如将铰接变为刚接；增加支座或将简支结构变为连续结构；增设撑杆，将梁式结构变为桁架式结构；与其他结构构件共同工作形成混合结构，如采用组合梁使钢梁与混凝土板共同工作，充分发挥混凝土结构受压性能良好的特点；3)如果以上两种办法无法实现，可以采用单体构件截面的补强方法解决。实腹式钢梁的加固可以根据情况采用在梁的上下翼缘、腹板处补贴钢板或在上下翼缘焊接型钢；桁架可根据情况对弦杆和腹杆补焊相应型钢以增加截面面积；柱子加固可采用将H型钢柱变为+字形柱，实腹式柱变为格构式柱，翼缘或腹板补焊型钢或钢板。在加固的同时还应该高度重视连接节点的处理，坚决避免出现“强构件，弱节点”的现象。下面结合实例共同探讨。

太原市某钢结构厂房，结构形式为开敞式对称双坡轻钢门式刚架结构，屋面坡度5%，原来用于储存运输物料。纵向长度为156 m，柱距7.5 m；横向宽度为54 m，三跨连续布置，每跨跨度为18 m，柱脚和梁柱均为刚接连接；各跨均配有两台5 t电动单梁天车，中级工制作，吊车跨度为17 m，轨顶标高7.5 m，厂房檐口标高9.2 m,基础形式为柱下独立基础。厂房建成于2008年，出于满足工艺要求及尽可能降低投资的目的，当时设计未考虑厂房封闭。使用一段时间后发现物料露天堆放时有扬尘现象，对周围环境造成一定污染，现在由于环保要求提高，相关部门要求重建全封闭厂房室内作业。业主为节省资金，希望保留原结构，用单层压型板对屋面和墙面进行封闭。委托我方进行验算和封闭加固设计。

接受任务后，首先按照原有图纸对结构在新的条件下进行了结构验算，基础可以满足要求，不必进行加固处理。但由于原有设计时没有考虑风荷载和屋面恒、活荷载以及雪荷载，封闭后会对厂房设计主要造成五方面的问题：1)刚架柱平面外稳定应力比超限；2)钢架梁柱节点处梁负弯矩位置作用弯矩与考虑屈曲后强度抗弯承载力比值超限；3)需增加屋面和墙面檩条系统及山墙抗风柱；4)支撑系统不完备；5)屋面系杆布置部分缺失。

根据验算结果和现场踏勘，反复论证，我们制定了优化的加固及封闭设计方案从五个方面解决以上问题。

1)计算显示刚架边柱平面外稳定应力比为1.22>1.0，超限，长细比为109。如果采用直接补强柱子的办法，则有一半数量的柱子需要加固，属于带荷施工且焊接时残余应力较大，现场施焊焊缝长，质量难以保证，而且柱脚处需进行植螺栓处理使加固部分柱脚与基础可以传递受力，此种办法虽然可行但是施工较为复杂。最后决定采用在柱子平面外方向增加纵向刚性系杆的办法解决刚架柱平面外稳定应力比超限问题，在厂房边柱中间部位沿纵向增加φ125×8钢管作为刚性系杆，在厂房纵向1/3处与厂房下柱柱间支撑相连，钢柱平面外长细比减小1/2，并通过柱间支撑可以直接传力至基础，增加刚性系杆后平面外稳定应力比变为0.76，满足规范要求，见图1。

2)计算表明在刚架梁柱节点附近梁负弯矩处考虑屈曲后强度与抗弯承载力比值为1.09，超限。梁的整体稳定和挠度仍可满足规范要求。加固方案针对梁的薄弱区域，局部采用T型钢加腋，翼缘及腹板厚度与原有屋面梁相同，现场用角焊缝连接，T型钢长度尽可能小，以减小现场仰焊的施工难度，本方案为1.5 m～2.0 m,见图2。加强后此处的屋面梁截面模量明显增大，可以较大幅度提高抗弯提高承载力，验算显示屈曲后强度与抗弯承载力比值降为0.87，符合规范要求。但此处需要注意加腋后厂房净高度降低，必须保证屋面梁与天车顶部保持足够安全距离，避免加固后天车运行与新增加的T型钢碰撞。

3)原有厂房不封闭时，无需考虑山墙风荷载，屋面系统只在厂房中部1/3处设置了两道横向支撑，每跨屋面梁中部设置了一道刚性系杆。同时在厂房两端和中部1/3处共设置了四道上柱支撑，中部1/3处有两道下柱支撑。改造后屋面支撑系统已经无法满足要求，综合考虑山墙风荷载传递和屋面整体刚度要求，在厂房两端柱距间增加两道角钢屋面横向支撑，与厂房上柱系统匹配，形成完整的厂房支撑系统，以保证屋面体系完整和风荷载传递明确。

4)增加山墙抗风柱和屋面、墙面檩条系统。为了尽量减少对旧有结构增加荷载并且降低含钢量，节约资金，我们对新增檩条系统进行了优化设计，采用了连续檩条的设计方法，同时为方便施工，采用了嵌套搭接方式完成。连续檩条的设计需要注意几个方面：a.弯矩的计算：连续檩条弯矩分布如图3所示，端跨弯矩最大，其控制截面为M1-M9，而嵌套搭接必然会有松动滑移现象，并不是理想的连续梁，需要考虑支座处的弯矩释放，释放量大约在10%～15%，在支座处嵌套搭接双层檩条具有双倍的强度，跨中是单檩条强度，所以计算控制截面仅考虑M1和M9即可；b.檩条的选择：考虑嵌套施工的方式，选用Z型檩条更容易达到目的，便于操作，按照端跨弯矩最大的特点，可在端跨柱距选择较厚截面型号的檩条，但檩条高度与其他檩条高度保持不变;c.搭接长度的确定：根据国内外相关资料和试验，嵌套搭接长度考虑支座弯矩释放之后的实际情况，取B>0.125L(L为跨长)，A=C=0.05L(L为跨长)，可满足计算要求，见图4;d.挠度的计算：与正常计算的连续梁相比，嵌套搭接连续檩条会带来挠度的增加，根据相关试验的结果，将连续梁模式计算出的挠度乘以1.3～1.5的放大系数比较接近实际情况；e.搭接端头螺栓抗剪能力的计算：Q=M/(L1+L2)，其中，M为支座处檩条弯矩，此处应注意，M应该考虑嵌套松动，释放10%，通常情况下这个剪力设计值约为 6 kN～10 kN，端头采用两个M12的普通螺栓就可以满足承载能力的要求。根据以上计算理论我们最终选择Z200×76/70×20×1.8(端跨)和Z200×76/70×20×1.5(端跨)作为屋面、墙面檩条，材质均为Q345热镀锌。经过对比，在强度计算和刚度计算结果相近的情况下，采用连续檩条可比采用简支檩条节省钢材20%左右。

5)完善屋面系杆布置，原有厂房系杆布置偏少，只在每跨屋面梁中部设置了一道刚性系杆，作为屋面梁平面外支撑。本次封闭后，虽然屋面增设了檩条系统，但是考虑檩条截面较小，厚度较薄，不能兼做刚性系杆，所以在对应于屋面支撑布置的压杆位置，增加了两道刚性系杆，使平面桁架体系更加完备。

设计完成后，业主组织施工单位在没有停产的情况下完成了厂房的加固和封闭，到目前为止，使用情况良好。这个方案是根据现场实际情况结合加固措施和设计优化完成的一个实例，改造后设计方案计算完全满足现行《钢结构设计规范》和《建筑抗震设计规范》的要求，为今后处理钢结构加固的问题提供了一个思路。

[1] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].

[2] 《钢结构设计手册》编辑委员会.钢结构设计手册[M].第3版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3] 陈友泉，魏潮文.门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义[M].北京：中国建筑工业出版社，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

路慧军(1970- ),男,工程师

TU391

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