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(diǎn)，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(shí)例，重點(diǎn)探討了鋼結(jié)構(gòu)廠房的加固改造設(shè)計(jì)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(jì)；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(qiáng)度高、整體剛性好、自重輕和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)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(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)廠房加固改造設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)院設(shè)計(jì)，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(jì) 

　　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(diǎn)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(jì) 

　　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(diǎn)，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(yàn)算加固結(jié)果 

　　采用SAP2000軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，為簡化計(jì)算，取廠房主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)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(jì) 

　　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(diǎn)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(jì)算 

　　1）荷載計(jì)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(jì)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(jì)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(diǎn)上的縱向水平荷載如圖3所示。 

　　（4）在計(jì)算支撐內(nèi)力時一般都假設(shè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jì)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(yàn)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(jì)算，各行框排架計(jì)算均按平面框排架計(jì)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(jì)算時，格構(gòu)柱及橫梁均按等效實(shí)腹構(gòu)件等代。 

　　3.4 計(jì)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(jì)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(jì)算。 

　　4 排架柱加固優(yōu)化設(shè)計(jì) 

　　4.1 加固設(shè)計(jì)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(jì)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(fèi)。 

　　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(diǎn)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(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)，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(diǎn)后擬采用方案三，加固做法如圖4所示。 

　　4.2 加固設(shè)計(jì)分析 

　　1）加固用材 

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

　　2）承載力計(jì)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(qiáng)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(jì)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(jì)工作，筆者總結(jié)出以下幾點(diǎn)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(bǔ)強(qiáng)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(jì)[J].低溫建筑技術(shù).2013年第05期