钢结构厂房加固优化设计的原因及措施

周安楼

摘 要：与传统的钢筋混凝土结构相比，新兴的钢结构具有结构稳固、投入少、施工效率高、回报期短、环境污染小和可重复使用等诸多优势，在厂房建筑中有大范围的应用。然而，调查发现，这种钢结构存在一些缺陷，隐藏一些安全风险。因此，人们需要对其进行加固，以确保生产安全进行，减小风险产生率。钢结构建筑是科学技术不断提升的产物，在厂房的大范围运用中显示了其独特优势。笔者结合实践工作经验，剖析了钢结构厂房的特征和进行加固优化的缘由，指出了加固过程中需要注意的问题。

关键词：钢结构厂房;建筑加固;优化;设计措施

中图分类号：TU746.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）04-0121-03

Abstract： Compared with the traditional reinforced concrete structure， the emerging steel structure has many advantages such as stable structure， low investment， high construction efficiency， short payback period， low environmental pollution and reusability， which has a wide range of applications in plant construction. However， the investigation finds that this steel structure has some defects， hiding some safety risks. Therefore， people need to strengthen it to ensure safe production and reduce the rate of risk. Steel structure building is the product of the continuous improvement of science and technology， and has shown its unique advantages in the large-scale application of factory buildings. Combining practical work experience， the author analyzed the characteristics of steel structure workshops and the reasons for reinforcement optimization， and pointed out the problems that need attention in the reinforcement process.

Keywords： steel structure workshop;building reinforcement;optimization;design measures

廠房是工业生产的基础设施，可以确保生产的顺利进行，同时为工人营造优良的工作环境。在实践应用中，钢结构有很多优势，然而也存在一些问题。若没有及时清除钢结构厂房隐藏的安全风险，便会导致企业工作人员、财产受损。伴随工厂规模的增大，厂房荷载逐渐增大，钢结构使用时间变长，工厂管理人员一定要高度重视钢结构厂房的加固。加固技术运用期间，施工人员应当依据设计要求，制定有较强可行性的施工计划。为保证施工效果，施工人员应当关注以下问题。一是加固施工期间，厂房生产活动依旧进行，为确保工人与财产的安全，所有人员要做好防护举措，防止危险事件的发生，如果有必要，可将厂房内的所有人员撤出。二是施工人员在进行钢筋焊接时要防范焊接变形，高度重视应力集中问题。三是加固过程中使用的角钢、结构支座等构件应当在加工后直接使用，并确保构件尺寸合适。

1 钢结构加固设计的重要性

钢结构在建筑工程领域的优势十分突出，应用范围日渐广泛。然而，由于许多实践都是尝试性建设，因此项目建设初始环节容易存在一定问题，在静态载荷或者动态载荷的长期影响下会产生安全隐患，人们需要对一些建筑进行加固处理[1]。经过工程案例梳理可知，加固是为了应对多种情形下的荷载，通常分为3种情形。

一是设计的初始时期载荷核算不精准，或者受人为或经济等因素的影响，导致完工后的钢结构厂房的承载力未达到设计标准，产生形变问题，形成了安全风险。如果建设时使用的是轻质钢材，就易导致塌方问题。施工人员要采取恰当的加固举措，提升钢结构的负载水平，消除安全隐患，保证厂房工人与设备的安全。

二是部分企业运营状况优良，需要扩大厂房规模，提升生产水平。大部分企业不会采用重建的方法，大多基于现有厂房进行扩建，现有厂房大都予以保留，导致之前的负载和空间尺度产生改变。扩建后，厂房的跨度必定增大，致使其负载增加，然而钢结构的强度并未提升，支撑水平降低。要确保扩容后的厂房稳固，人们一定要对钢结构进行增固，提升其负载水平。

三是盲目增多载荷。在工程建造完成后，部分企业为确保生产活动顺利开展，便私自在厂房顶部装设太阳能设备，以满足取暖或者供水需求。这种做法会导致厂房荷载变大，引发安全隐患，所以要对钢结构进行加固。

2 钢结构厂房加固方式

2.1 扩大构件截面

钢结构厂房加固阶段，扩大构件截面，可以提高建筑自身的稳定性。施工人员要充分考虑现有缺陷和损伤情况，针对需要加固的部位制定有效的加固方案，在原有加固设计的基础上适当扩大受力构件截面。扩大构件截面是加固钢结构的一种普遍方式，操作简单，并且不影响生产，能够发挥重要作用。

施工人员要注意加固时的净空限制，使新加固的构件不与其他杆件相冲突;加固设计应适应原有构件的几何状态，以利施工;应尽量减少施工工作量。当原有结构钢材的可焊性较好时，根据具体情况，应尽量考虑采用焊接加固，减少焊接工作量，以减少焊接应力的影响，避免焊接变形。施工时应避免仰焊，要加大构件截面，尽量使被加固构件截面的形心轴位置不变，以减少偏心所产生的弯矩。当偏心值超过规定值，在复核加固截面时，应考虑偏心的影响;加固后的截面在构造上要考虑防腐要求，避免形成易于积灰的坑槽而引起锈蚀;加大截面的加固构造时，不应过多削弱原有构件的承载能力。

2.2 单个钢结构构件加固

单个钢结构构件加固方法有焊接钢板、粘贴钢板和碳纤维复合板、改变截面形状（如将工字形截面改为箱形截面或格构型截面）、外包混凝土加强（主要应用于钢柱）等技术。在实际应用于建筑时，设计人员要充分考虑实际截面形式和技术存在的缺点，确保加固达到预期效果。设计时要考虑施工难易程度、施工周期长短、施工费用高低，充分对比设计方案，筛选最佳方案。在实际工程中，可以搭配应用多种加固技术方法，保证钢结构建筑的加固效果。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

以某工业厂房为例，其采用钢结构框架，梁柱节点采用栓焊混合连接。该厂房共有5层，其中，1层的高度为4.5 m，2～4层为4.2 m，5层为3.0 m;占地面积约为670 m2，建筑面积共计3 854 m2。该厂房施工期间编制完善的施工方案，落实安全技术交底，重点对焊接质量进行控制。施工完成后，业主委托有资质的第三方检测机构对厂房施工质量进行检验。验收结果显示，部分梁柱的节点处存在焊接缺陷，如焊接不充分、焊接不满、出现焊缝等。为了保证厂房后期使用的安全性，必须进行加固处理。

3.2 原钢结构厂房荷载的复核

3.2.1 荷载类型。该厂房楼面的恒荷载是4.2 kN/m2，活荷载是12.3 kN/m2，该地风压是0.56 kN/m2;抗震设防烈度是7度，框架的抗震等级是4级;钢材强度为Q345，混凝土强度等级为C35。通过分析整个钢结构的特点，本文最终确定荷载组合是：1.2恒荷载+1.4活荷载+0.6风压，地震带来的影响不大。

3.2.2 复核计算。下面对钢结构框架的荷载组合进行校核，结果显示，主要指标的复核结果均处于标准范围内，厂房整体安全性满足设计要求。因此，不需要对钢构件进行拆除，只需要对梁柱节点进行加固即可。

3.3 加固方案

对梁柱节点进行加固时，可以采用的方案有修复焊缝、使用梁翼缘贴板和梁端加腋板等。但是，这些加固方案施工时需要拆除局部楼板，对原来的焊缝进行清理，然后重新焊接。考虑到该厂房已经完工，采用这些加固方案，不仅增加了施工难度，还可能导致钢构件出现新损伤，加固成本较高，因此不宜采用[2]。结合钢结构厂房的实际情况，从安全性、技术性、经济性三个方面考虑，经业主、施工企业、第三方检测机构共同商讨，最终决定采用角隅撑加固方案，在梁柱节点附近设置支撑，提高钢结构框架的整体稳定性。

3.4 加固计算

角隅撑的材质是工字钢，尺寸为200 mm×200 mm×8 mm×12 mm。加固时，位置是梁距离柱中心线的水平间距为1 200 mm、柱距离梁中心线的垂直间距为1 200 mm，按照45°设置角隅撑。以H型钢柱和梁体为例，其连接方式如图1所示。

具体加固施工时，清理原焊缝，重新焊接，或不进行处理，对加固节点的受力性能影响不大，因此不再进行清理和修复。其中，加固类型包括两种：一種是铰接，另一种是刚接，加固后的计算结果如表1所示。分析可知，加固后结构应力、位移均明显减小，各项指标满足规范要求。

3.5 节点分析

为了分析角隅撑和梁柱节点的受力情况，避免存在薄弱部位，下面选择其中最不利的部位作为对象，对梁柱节点的荷载情况进行模拟分析[3]。结合本工程的实际情况，最不利钢结构框架是1层5轴，最不利荷载节点是5轴和B轴的连接处。利用PKPM分析软件和ABAQUS连接器，构件受力采用板单元，钢材本构关系采用理想弹性模型，缺陷因子为1/1 000，分别按照铰接、刚接建立模型。其中，建立铰接模型时利用铰接功能模块;建立刚接模型时利用绑定约束功能模块。要按照构件的内力比例缓慢加载，直至钢结构屈服。

结果显示，梁柱节点铰接时，施加荷载达到设计值，可见节点、梁端的应力是均匀分布的且整体数值较小，最大的应力位于角隅撑外侧、主梁的翼缘处。施加荷载为设计值的1.2倍时，节点和梁端区域的应力分布基本没有变化，高应力区向跨中发展，主梁的翼缘处出现屈服。施加荷载为设计值的1.3倍时，节点处的应力分布基本没有变化，角隅撑下方柱的应力增大，应力最大值出现在主梁的腹板区域，呈现出屈服状态。

梁柱节点刚接时，施加荷载达到设计值，节点处的应力小、分布均匀，梁端翼缘的应力高于铰接情况，最大应力位于角隅撑外侧、主梁的翼缘处。施加荷载为设计值的1.2倍时，梁翼缘部位的应力明显增大，但没有屈服。施加荷载为设计值的1.3倍时，角隅撑下方柱的应力继续增大，应力最大值出现在主梁的腹板区域，呈现出屈服状态。

总结来看，梁柱铰接节点和刚接节点的屈服过程基本一致，钢构件的承载力相近;最大应力均出现在角隅撑外侧、主梁的翼缘处;随着荷载加大，均是梁构件先出现屈服，满足强柱弱梁、强节点弱构件的要求[4-5]。

4 结语

整体来说，钢结构在建筑项目中起着不可忽视的作用，其强度、稳定性与建筑工程的建造质量有十分密切的关联。因此，施工单位在建筑项目施工过程中要依据实际情况改进钢结构设计方案，提升钢结构设计水平，增强钢结构的稳固性。本文以实践项目为例，论述了角隅撑加固方案，以期为同类工程提供有效参考。研究表明，加固后，钢结构位移显著减小，结构应力显著降低，各指标都达到设计要求。

参考文献：

[1]马东亚，金刚.某砌体结构加固设计[J].建筑结构，2019（2）：711-715.

[2]张焱，朱晶晶，王津.建筑结构加固施工质量研究[J].建材与装饰，2019（32）：19-20.

[3]颜怀平.房屋建筑结构加固设计及施工技术研究[J].建材与装饰，2018（24）：73-74.

[4]沈垒，苏予.建筑结构加固设计综述[J].河南科技，2018（2）：103-105.

[5]李坤伟，胡军.某钢结构厂房桩基础加固设计与施工控制[J].重庆建筑，2020（2）：52-55.