鋼材加工車間廠房鋼結構加固設計

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摘要:某鋼材剪切加工車間在夏季臺風季節出現山墻墻板頻臨破壞、靠近山墻處廠房上柱傾斜、山墻柱間支撐變形等險情。對該廠房結構進行了全面的勘察和鑒定，并在此基礎上對廠房進行全面的修復和加固，排除了結構的安全隱患，使廠房可以繼續生產。

關鍵詞:鋼結構;加固;設計

1工程概況

某鋼材剪切加工車間建于2001年，車間為全鋼結構廠房，總長378m，寬為36m。該廠房分兩期建設，其中一期廠房長度為120m，二期廠房直接緊鄰一期廠房沿縱向布置，且兩者之間并未設置伸縮縫。二期廠房檐口標高10.500m，吊車梁牛腿頂面標高6.300m，橫向兩跨，跨度均為18m，柱距6m，吊車梁長度為16．5m，每跨內均設有兩臺起重量為100kN的橋式吊車，吊車工作級別為A5，后因為使用過程中發現吊車頻繁出現啃軌和斷電現象，使用方又將吊車的起重量減少為80kN(圖1)。廠房橫向采用門式剛架結構體系，縱向設置柱間支撐。該廠房在建設時未進行正規的設計，且竣工后未保存任何工程圖紙和施工記錄。由于該廠房東側山墻未設置抗風柱，在2012年的一次臺風中，該山墻的墻面在風荷載作用下出現十分明顯的波浪狀變形，業主不得不緊急使用大量的毛竹將整片山墻撐住，才勉強抵抗住臺風的侵襲。此外，廠房還存在較多明顯的質量問題，如部分柱間支撐不完整，柱間支撐鋼管、節點板、系桿變形比較普遍，嚴重影響廠房柱平面外的穩定，吊車存在啃軌現象，行車輪更換較為頻繁，并且臺風過后廠房山墻附近區域約4列中柱存在較為明顯的傾斜現象。問題出現后，廠房的使用方曾自行對廠房的山墻采取了臨時性加固措施，在山墻上增設了4根抗風柱，并對山墻墻面進行了簡單修復，但此舉僅為局部處理，未按廠房各系統進行整體考慮。業主從廠房安全使用的角度出發，特委托專業人員對廠房的安全以及使用現狀進行檢查及圖紙測繪，按照國家及地方相關標準規范，對廠房使用狀態作出綜合評估，在評估的基礎上對廠房進行加固設計，以保證廠房的安全有效使用。

2廠房結構勘察及鑒定

為了對廠房進行全面、有效的加固設計，需要對整個廠房結構進行細致的勘察，以檢查出結構的安全隱患。因此，不但對廠房的屋面、墻面、吊車梁系統、柱系統、構件的連接節點進行了現場實地勘察和測繪，繪制出能夠反映廠房實際現狀的圖紙，還對廠房的實際承載能力和正常使用狀態進行了計算復核。對廠房的橫向框架按照柱腳鉸接的假定進行計算復核，計算結果發現邊柱的下柱平面外應力超過了材料的容許應力，約為容許應力的1.15倍左右，如采用增大截面的做法則會面臨巨大的加固費用和現場的焊接工作。由于廠房柱的柱腳底板較薄，僅為20mm，剛好滿足構造要求，且僅在柱腳兩側翼緣各設置1塊加勁肋，這樣的柱腳構造僅能視為典型的鉸接柱腳。在相同梁柱線剛度比下，柱底剛接比柱底鉸接時的長細比更小，而減小長細比有利于降低柱平面外的應力。若將柱腳加固為剛接柱腳，其工作量顯然比加大柱截面小得多，對廠房的生產運行的影響也可以降到最低，所以采取在柱腳增設加勁肋的措施，將底板分成若干個小區格，減小柱底板在柱底壓應力作用下產生的彎矩，將柱腳加固成剛接柱腳，以減小廠房柱的長細比。廠房原有的柱間支撐桿件采用圓鋼管或實心圓鋼，其中圓鋼用于部分上柱支撐。勘察中發現廠房整個柱間支撐的設置和施工存在諸多隱患:1)上柱的圓鋼支撐基本處于松弛狀態(圖2a)，而圓鋼支撐只有處于張緊狀態時才能發揮作用，松弛的圓鋼沒有軸向剛度，屋面的縱向力無法有效地向下傳遞。2)部分圓鋼管支撐有明顯的彎曲變形，有的柱間支撐存在桿件缺失的情況(圖2b)，而有的柱間支撐未延續至柱底(圖2c)。發生彎曲的支撐其剛度已經退化，不能繼續有效地抵抗水平力作用。缺失的支撐桿件以及未延續至柱底的柱間支撐阻斷了水平力向下傳遞的路徑，轉而通過廠房柱平面外受彎來抵抗水平力。3)支撐節點板厚度較薄且有較為普遍的變形現象，柱間支撐桿件與節點板的連接長度也明顯不足，連接焊縫的外觀質量比較粗糙，有漏焊現象。4)十字交叉支撐的交叉節點構造不合理。有的采用直接相貫連接;有的在其中一根圓管上外套一段圓管作為加強措施，另一根支撐斷開后再與外套管焊接連接。勘察中發現，鋼管的相貫節點處已經出現管子凹陷的現象，外套管相貫節點處鋼管錯邊的現象也比較普遍。這些交叉節點由于沒有可靠的加強措施，也難以有效地傳遞結構內力，處于“半失效”的狀態。對廠房的縱向柱間支撐系統進行計算復核，計算結果表明:在不考慮溫度應力的前提下，現有的柱間支撐和系桿截面尚能滿足設防烈度地震、風荷載和吊車縱向剎車力作用下的承載能力。但由于大批量的支撐桿件和系桿發生了明顯變形，整個支撐系統已無法繼續使用，而且端部的下柱支撐還使得溫度應力無法釋放。在勘察中發現，靠近山墻約4列中柱沿縱向傾斜嚴重。后經柱子傾斜測量表明，靠近二期廠房山墻部位的多根柱子已到達危險點，存在嚴重安全隱患。廠房在山墻處的兩個柱距之間均布置了上柱和下柱支撐，并且該柱間支撐在每個下柱區域均設置了兩道交叉支撐，由于廠房的縱向長度較長，在溫度應力的作用下，該區域的柱間支撐均出現了不同程度的變形。從整個廠房柱間支撐系統的布置上來看，也存在很多不合理的地方。該廠房分兩期建設，一期廠房的柱間支撐設置符合GB50011—2010《建筑抗震設計規范》的要求，即在縱向溫度區段的兩端僅設置上柱柱間支撐，在溫度區段的中部依據廠房的長度酌情設置若干道上、下柱柱間支撐;二期廠房的高度略低于一期廠房，且柱間支撐的設置未對兩部分廠房進行統籌考慮，柱間支撐的布置顯得較為無序和雜亂，兩部分廠房之間也沒有設置伸縮縫。二期廠房屋面檁條、吊車梁直接與一期廠房相連接，廠房縱向總長達到378m，遠遠超過CECS102∶2002《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中廠房縱向溫度區段長度不得超過300m的規定。此外，二期廠房在縱向的兩端均設置了下柱柱間支撐，使縱向溫度應力無法釋放，轉而積聚在結構內部，經過多年冷熱膨脹和收縮變形的往復作用，很多柱間支撐和縱向系桿均出現整體屈曲的現象。二期廠房的東側山墻在臺風期間出現重大險情，是本次勘察的重點之一。勘察中發現，使用方雖然對山墻采取了臨時加固措施，增加了4根抗風柱，并在山墻局部布置了山墻柱間支撐，但是山墻柱的布置并不與山墻的長度相匹配，山墻柱的定位并未處于廠房柱之間的等分點上，很多山墻柱由于柱距較大，檁條的跨度也較長，在夏季臺風季節仍會出現風荷載作用下墻面變形的可能。山墻柱的柱頂直接與屋面梁的下翼緣連接，在風荷載的作用下屋面梁受到抗風柱施加的扭矩作用，而屋面的水平支撐節間由于和抗風柱的位置錯開，從而使得由山墻柱傳給屋面的集中力不能直接傳遞給屋面的水平支撐系統，整個山墻區域的結構布置不能達到受力合理、傳力直接的效果，這是加固改造的重點部位之一。對吊車梁進行了承載能力和正常使用狀態的計算復核，計算結果發現吊車梁的承載能力不能滿足兩臺吊車位于同一柱距內的工作狀態;當1個柱距內僅有1臺吊車工作且吊車的起重量達到100kN時，吊車梁強度和變形均不能滿足相關規范要求;當1個柱距內僅有1臺吊車工作且吊車的起重量達到80kN時，吊車梁強度能滿足，跨中變形不能滿足相關規范要求。由于吊車梁的加固需要通過在已有的吊車梁本體上焊接型鋼或鋼板的方式來增強其承載能力，其現場的焊接量巨大且會影響到車間正常的生產運行，故進一步限制吊車的起吊重量或許更切合實際。

3廠房結構加固設計

針對以上所述問題對整個廠房結構進行統籌考慮，制定出合理有效的加固設計方案。由于廠房的眾多柱間支撐和縱向系桿均出現不同程度的整體屈曲變形，且布局存在諸多不合理，整個廠房縱向柱間支撐體系已處于不可靠的工作狀態，不能為廠房柱提供穩定的平面外支點，所以廠房的柱間支撐系統應進行全面更換，并且由于廠房縱向長度超長，需要對一、二期廠房的結合處采取變形伸縮的措施，保證廠房的縱向受力體系可承受各種縱向力的作用，從而確保廠房結構的安全。1)在屋面和墻面檁條的檁托板上焊接事先開設好長圓孔的節點板，節點板作為檁條新的支座，原有檁托板上的螺栓在新節點板和原有檁托安裝固定完畢后卸除，使得檁條可以沿著長圓孔的方向具備適當的伸縮滑動空間。2)將原吊車梁牛腿側面加長，并更換吊車梁下方原有的水平節點板，重新安裝開設有長圓孔的節點板，新節點板要與吊車梁的支座加勁肋間隔適當的距離。在安裝新節點板前，吊車梁需事先從柱子上卸下，為節點板的安裝提供操作面。吊車梁卸至地面后，在下翼緣對應節點板長圓孔的位置用磁力鉆開設好螺栓孔，再重新安裝至原位置，節點板的長圓孔與吊車梁下翼緣的圓孔之間用永久螺栓連接，使得吊車梁在廠房柱牛腿上能有適當的滑動距離。在處理好一、二期廠房變形伸縮的問題后，就可以著手布置二期廠房新的柱間支撐體系。二期廠房在縱向溫度區段的端部僅布置上柱支撐，在溫度區段的中間按照相鄰柱間支撐間距不超過60m的原則，布置了3道上、下柱支撐，保證廠房縱向具備足夠的剛度。上柱支撐采用單片支撐，支撐形式根據桿件的角度大小采用人字形或十字交叉形;下柱支撐采用雙片支撐，支撐形式采用十字交叉形，支撐桿件均采用熱軋角鋼。二期廠房的山墻結構需要重新布置，原有的山墻柱并不廢棄，但需重新布置在廠房橫向的等分點處，抗風柱的柱距定為6m，與屋面水平支撐的節間相對應。抗風柱的上端用彈簧板與屋面梁腹板連接，連接位置設置在距離屋面梁上翼緣100mm處，可避免屋面梁受扭。山墻的檁條及墻面板也全部重新更換，檁條的檁距控制在1.5m以內，檁條與抗風柱之間設置隅撐以保證抗風柱內翼緣的側向穩定。靠近山墻處的傾斜廠房柱存在安全隱患，其中?列線位于①、②軸的廠房柱的柱頂沿廠房縱向的傾斜值分別為88mm和193mm，傾斜度分別為柱高的1/131和1/60，已達到危險房屋的判定標準，但由于柱間支撐和吊車梁的支撐作用，廠房柱暫時未出現險情。為了排除安全隱患，在更換全廠柱間支撐的同時，需要對傾斜柱進行加固。廠房柱在傾斜后，屋面梁及吊車梁會對柱平面外產生附加彎矩的作用，所以對廠房柱的加固方法就是增加柱截面繞弱軸方向的截面模量。將屋面梁及吊車梁傳給廠房柱的集中力乘以廠房柱柱頂和肩梁處的柱傾斜值就可以計算出廠房柱的平面外彎矩，在需要加固的廠房柱腹板兩側貼焊T形鋼來承受該彎矩，T形鋼的截面采用TN100×100，沿廠房柱的上柱或下柱全長設置。

4結束語

通過對該鋼材加工廠房進行全面而細致地勘察和測量，并在此基礎上對廠房的整體結構進行計算分析，從廠房的結構體系入手，找出影響結構正常承載和安全使用的主要問題，進而深入地分析和尋找廠房構件及節點構造中存在的安全隱患，由此順利制定出對結構進行加固和修復的一整套全面、合理的實施辦法，解決了山墻抗風能力不足、縱向支撐體系不能為廠房提供足夠剛度的問題，確保該廠房能夠安全、正常的生產運行。

參考文獻

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作者:沈佳星 肖志剛 單位:寶鋼工程技術集團寶鋼建筑系統集成有限公司