基于钢结构屋架的加固设计研究

来源：职称驿站所属分类：材料科学论文发布时间：2012-10-27 09:42:57浏览：次

　　摘要：目前，单层厂房在工业建筑中得到广泛的应用。单层厂房的各种主要荷载主要通过承重骨架——由屋架、柱和基础构成的横向平面框排架结构传到地基上。本文通过具体实例详细阐述了基于钢结构屋架的加固设计思路及方法，希望与同行一起切磋。
　　关键词：单层厂房、钢结构屋架、加固设计
　　引言
　　单层厂房是一个满足工业生产过程中各种需要的建筑空间，单层厂房结构是这个建筑空间中的承重骨架，而屋架则是承重骨架的主要组成部分之一。由屋架、柱和基础组成的横向排架结构是厂房的基本承重结构，厂房的主要荷载都是通过这一基本结构传给地基的。
　　大量的工程实践证明，正常运营的工业厂房中，钢屋架出现问题的可能性要比其它构件大的多，这就需要对其屋架进行加固。
　　对钢屋架进行加固，其目的就是要使屋架各构件满足强度、刚度和稳定性，以及构件节点连接满足强度的要求，使屋盖结构安全可靠，使生产活动能正常运行。
　　
　　一、加固改造的设计原则
　　在设计过程中，针对不同的情况采用以下设计原则：
　　（1）对于经鉴定不能满足使用要求的构件，设计中应采取修复、加固、更换等措施，如：对已经锈蚀的杆件，设计时应考虑其截面面积的折减；对己变形的构件，应考虑其是否能校正及校正后其强度、刚度的影响；
　　（2）对一些新增加的重型平台结构，使其自成结构体系，与主厂房结构各自受力，这对整个厂房的整体结构是有利的；
　　（3）对新旧结构的连接，考虑到原厂房经过多年的使用，各部分构件都会有不同程度的变形，相应高强螺栓孔的位置相互错动，所以尽量采用焊接连接；
　　(4)对原有屋架、托架，当不满足要求采取加固措施时，使原有构件在卸载的状态下进行加固，保证构件的新旧部分共同受力，避免应力滞后等现象发生；
　　(5)在主排架的结构分析中，对截面较小、HIM较差的柱子忽略其影响，这种考虑对整个结构体系来说是偏于安全的。
　　二、加固计算及设计
　　以下以炼钢厂的单层钢结构工业厂房的屋架为例，具体谈讨其屋架加固的设计思路及方法。
　　以某轴线主框架钢接横梁，为A-B、B-B跨屋架，计算荷载及内力均取自框排架计算中相应数据。若均布恒荷载、活荷载如图1（a）所示；集中恒荷力、活荷载情况如图1(b)所示：
　　
　　（a）(b)
　　图1某轴线主框架钢接横梁受力示意图
　　
　　固端弯距存在三种组合方式，以下列举其中一种组合方式进行受力分析：
　　
　　图2某轴线主框架钢接横梁固端弯距示意图
　　
　　在以上荷载作用下，用SAP84通用程序进行运算，可得出屋架各杆件轴力值。上述屋架的三种组合在计算时，要选用最不利的组合，对其例进行杆件截面验算。由以上分析计算可得出计算结果（具体分析过程不再在此赘述）。分析计算结果，可知下弦杆、腹杆及竖杆的强度、稳定等均不满足要求，须补强加固处理。
　　
　　三、加固设计方案
　　1、选择加固设计方案的基本原则
　　目前加固钢结构方案基本分三类：(1)加大构件截面法；(2)改善结构计算图形法；(3)予应力技术加固法。
　　前两种方法为传统的加固手段，工程量大而繁杂，施工困难而周期长，补强的成本高而效果差。而后者则改进了上述缺点，显示了简捷与效益。
　　因为加固工作都是在生产运转中服役钢结构上进行的，根据生产情况及加固方案的选择可采用全荷载下、部分荷载下及全卸载下的三种加固状态。前两种方法是从不影响或少影响生产活动出发，效果较差；后者则是考虑到加固的最佳效果与施工方便。
　　确定采用加固方案的主要因素是根据经济性和施工工艺条件决定，基本内容有：加固钢材用量、制造与安装加固零配件的劳动量、停产时间及损失以及加固成本等。
　　钢结构的加固工作是相当复杂的，不仅要在技术上有合理的加固方案，而且方案的实施还要有生产、施工，必要时还要有科研单位的配合。一个好的加固方案不仅技术先进、经济合理、加固效果良好，还要尽可能的不影响生产，方便施工。由于当前的加固工作多出现在改扩建中，所以，不影响生产往往成为方案的一个主要因素。本工程鉴于以上原因，选择第一种方法“加大构件截面法”进行屋架加固。
　　2、加固方案
　　设计中经验算，此屋架各腹杆及弦杆中，不满足使用要求的杆件占大部分，在这种情况下，屋架本应拆除，但这会影响正常生产和其相邻跨的安全，而且对整个改造范围内的主体结构来说都是不利的，故提出以下几种加固方案：
　　（1）采取将空腹桁架加固成实腹梁，即在弦杆和腹杆间填焊双层腹板。一种方法是新增腹板在现场根据实际形状切好后，镶嵌在弦杆、腹杆间，与原来杆件肢尖对接剖口焊，形成整体双腹板梁；另一种方法是将新增腹板与原有桁架弦、腹杆角钢肢尖搭接，采用角焊缝连接。
　　（2）采用将旧有桁架中部节点板处板加固成整体大板，且与原有节点板采用剖口对接焊接，将析架加固成单腹板实腹梁。
　　（3）将原有桁架各杆件进行加固，采用加设角钢和钢板。在加设过程中，要保证杆件加固前后其形心线位置不变，遇节点板尺寸不足处，需加大节点板；对于桁架压杆的长细比大于70及上弦杆受局部弯距时，应增设再分式腹杆。
　　经综合分析，以上方案的利弊和现场的实际情况，在保证正常使用的条件下最终选用第一种方案：新增腹板与原桁架各杆件肢尖采用对接剖口焊，形成整体双腹板梁。以使该屋架在新增荷载作用下达到强度、刚度及稳定的目的。
　　
　　四、加固效果评价
　　本文提供了完整的加固技术资料，数据翔实可靠，论证充分，结论正确，加固后的厂房屋架己经过多年的运行实践考验，未发现任何异常现象，运行正常。实践证明，用这种方法加固，其效果是理想的，技术上是可行的，具有显著的经济效益和社会效益，在厂房的加固与改造工程中，具有一定的参考价值和借鉴作用。
　　
　　参考文献
　　【1】唐业清，万墨林:建筑物改造及病害处理，中国建筑工业出版社，2000
　　【2】陈禄如.中国钢结构的现状与展望.建筑钢结构进展.第3卷第1期，2001
　　【3】曹双寅，邱洪星，王恒华:结构可靠性鉴定与加固技术，中国水利水电出版社，2001