结合实例阐述某单层厂房钢结构改造与加固设计-建筑设计论文

结合实例阐述某单层厂房钢结构改造与加固设计
叶勇1蔡雁2
摘　要: 近年来，钢结构以其特有的优点，在我国得到了广泛的应用。本文主要结合某厂房具体实例，阐述了钢结构厂房屋面改造和加固设计需注意的问题，可为同类工程提供参考。
关键词:钢结构厂房；改造；加固设计
1　前言
一个好的加固方案不仅设计合理、技术先进、经济合理、加固效果良好、还要尽可能不影响生产、施工周期短、方便施工。尤其是当前加固工作多在工矿企业的改扩建工程中发生,不影响生产或施工周期短往往成为方案中的一个主要因素。笔者结合某钢厂某项目浅谈钢结构的加固与修复。
该厂房为五连跨单层钢结构厂房,始建于2003年。该工程基础采用预制钢筋混凝土桩,2. 2m高钢筋混凝土承台。上部结构为钢排架结构,屋盖为压型钢板,厂房柱为格构柱,电炉跨有两台100 /32吨铸造桥式起重机,跨度为21m,柱顶标高为27. 925m, 原厂房主构件钢材采用Q345, 其余为Q235,其焊条为国产E4315。为满足环保要求,对其进行改造。改造内容为在原电炉跨上增设一容积为3500m2,净高12. 7m全封闭式屋顶罩。
2　改造的可行性分析
2. 1　原结构现状检测结果
对工艺提出的增设屋顶罩的方案在技术上是否可行,在经济上是否合理,很大部分取决于该厂房原有结构形式、基础形式、刚度、整体性、施工质量等先决条件。
通过对原有钢构件在焊缝、涂层厚度腐蚀情况、螺栓、倾斜测量和其他如撞击变形等进行可靠性鉴定,并结合现场实际情况进行原因分析,焊缝质量等级均评定为合格,涂层厚度也满足《钢结构工程施工质量验收规范》。而部分钢柱有锈蚀,但根据检测结果构件锈蚀截面减少小于原截面的10% ,不影响构件的安全使用。倾斜测量垂直度偏差均在允许范围内,符合验收要求。现场查勘时,吊车运行基本正常,地基基础无明显不均匀沉降,能满足承载力要求。
2. 2　改造结构计算
采用中国建筑科学研究院开发的PKPM软件进行结构加固设计计算。虽然该地区设防烈度为6度,但根据地质报告要求,主构件按七度抗震设防,设计地震分组为一组,场地土为III类,基本风压值为0. 45KN /m2。在计算过程中,对原厂房加固是在卸荷下的补强加固还是负荷状态下的补强加固的情况进行分析。因为当卸荷加固时,构件承载力按补强或加固后的截面进行计算,其计算方法与新结构相同,无疑这是加固工作量最小、最方便也较经济的方法,但是在负荷状态下加固时,应根据加固时的实际荷载设计值,按强度和稳定验算原构件承载力,并仅当承载力富余20%或结构无甚大损坏(破损、变形、翘曲)的情况时,才允许在负荷情况下进行加固。
由于本厂房施工时仅屋面压型钢板拆除,并不排除吊车的运行,可认为是在负荷状态下加固,故计算时先对原厂房原始情况进行了计算。计算机建模后经计算柱应力比为0. 82,可近似认为基本满足承载力小于0. 8≤Ff,平面内外稳定及长细比均满足规范要求,原构件无较大损坏,可以在负荷状态下加固后,才将屋顶罩荷载加上进行计算。
2. 2. 1　基础
原厂房柱下共有8根桩,根据原地质报告,单桩承载力设计值为R = 1500KN。增加屋顶罩后最大弯距为Mmax = 3860KN. M,相应轴力N = 3812KN,剪力为V = 104KN,经计算满足设计要求,因此不需要加固处理。经查原有设计图纸并与甲方工程技术人员交流后,原单桩承载力设计值取大一是由于规范不同,二是该厂房为工业建筑,如此设计为稳妥起见而为之,三是由于该处地形复杂,勘察单位对此并不非常熟悉,取值偏于保守。但也正是由于这些,为今天的改造创造了先天有利条件。
2. 2. 2　厂房柱
屋顶罩增加后,各段柱应力比大幅度增加,特别是薄弱部分应力及平面内、外稳定应力比有超限现象。而对于原屋架、托架部分超限,则根据工艺布置并与甲方沟通后全部替换,故厂房柱加固是该工程的重点。
另外,原厂房于2003 年设计,计算软件和规范尚未完全配套,造成原有设计在某些构造要求方面不能满足现行规范要求,对于这种由于规范实施时间造成的问题,如仅是构造上没有满足规范的要求,而使用中并未发生问题,强度足够的,一般均可不必加固。如该地区为六度抗震,原设计为7度设防,在计算中发现柱强度是足够的,但部分柱腹板高厚比和翼缘宽厚比不满足,而改为六度抗震后,绝大多数以前不满足的都满足了,仅部分高厚比不符合规范5. 4. 2或第5. 4. 3条的也可根据规范第5. 4. 5条计算满足了。
2. 3　改造可行性分析结果
根据前面的检测及计算,可以得出以下主要结论:
该厂房结构体系较为合理,结构刚度较大,整体性较好,为改造创造了较好的先天条件。从检测结构看出,该厂房的基础情况良好,没有明显的不均匀沉降造成的倾斜。根据计算,增加加固后基础仍完全满足承载力要求,基础可不需要加固。柱从计算结果看,部分不满足计算要求。由于该工程是按老规范设计的,根据现行规范,柱薄弱部分应力比不能满足要求,对此提出相应的加固方法,使其能够满足现行规范的要求。因此,对该厂房的加固改造,在技术上是可行的。
3　改造与加固设计
由于原有基础能够满足改造的要求,不需要加固。屋架、托架全部替换,所以本工程加固主要是对厂房柱进行加固。
设计中,设计人员充分注意到以下两条:第一应尽量减少加固工作量,采取以下措施,发挥了原有结构的潜力: ( 1)根据实际情况确定各种荷载的标准值,如考虑临近建筑物对风荷载的影响,用吊车的实际吊重来设计轮压和横向水平力; (2)设法减轻荷载值,如改用轻质屋面结构如压型钢板来代替大型屋面板来减轻荷载; ( 3)在负荷状态下加固时,首先应尽量减轻施工荷载,减轻或卸掉活荷载,以减小原有结构构件中的应力; 第二应尽量减少施工工作量。
当原有结构钢材的可焊性较好时,不管原有结构是焊接、铆接或是螺栓连接,根据具体情况尽量考虑用焊接加固,并应尽量减少焊接工作量和注意合理的焊接顺序,以减少焊接应力的影响,并应避免仰焊。对铆接和高强度螺栓结构则以少动原有铆钉和螺栓为原则。对螺栓连接经与施工单位交流,考虑到厂房柱顶较高(柱顶标高为27. 925m) ,施工均为高空作业,施工难度大,现场打孔很难准确定位和操作,所以设计上尽量避免螺栓连接。
3. 1　改变结构计算模型
(1)增加结构或构件的刚度
在实际设计中,将屋盖上下弦支撑根据工艺平面布置的要求重新布置了上下弦,并在原有基础上适当有所提高:在改造部分设置了上下弦横向支撑;由于竖向支撑高度≥2. 5m。故采用十字交叉形式;由于厂房内有较大吨位的重级工作制吊车,厂房较高且跨度较大,所以在屋架下弦设置一道纵向支撑,并与横向支撑布置为封闭形,以增强厂房刚度。由于屋顶罩为全封闭体系,设计时考虑了蒙皮效应,从而进一步挖掘了结构潜力。
(2)改变厂房主要构件计算图形
将厂房柱与屋架连接方式进行修改, ,即由铰接改为固接,从而改变了结构的静力计算图形,通过采取措施使结构发生符合设计意图的内力分布,调整原有结构的应力,减小柱自身的弯距,使柱身不加固或少加固,从而减少工作梁。
3. 2　单体构件截面的补强
对于无法从结构上满足应力要求的部位,就必须对原截面进行补强了。由于本次加固主要是对厂房柱的加固,根据原图纸,需要加固部分均为焊接工字钢,因此主要考虑加大原截面的方法进行加固。
3. 3　连接和节点的补强
3. 3. 1　铆钉和高强螺栓的补强
(1)更换铆钉:当铆钉由于长期使用已脱落或松动,这时可以用高强螺栓或新铆钉来更换,在负荷状态下更换时,一般采取分批更换的方法;
(2)接中铆钉所受之力超过其承载力时,应钻孔增加新铆钉或高强螺栓。设计施工中连接的焊缝补强应按铆钉不参加工作,连接所承受的力全部由焊缝承担的原则来设计焊缝;
(3)摩擦形高强度螺栓连接也可采用侧面角焊缝补强。
3. 3. 2　焊接连接的补强
(1)焊缝可采用增加焊缝(包括增加正面焊缝)和加大焊脚尺寸hf的方法来补强;
(2)焊接连接可以在卸荷状态下或负荷状态下用电焊进行补强。加长原有角焊缝的方法可以通过加大节点板或加焊短斜板来加长焊缝。当加焊短斜板时,短斜板与节点板连接焊缝的强度应为短斜板与腹杆连接焊缝强度的1. 5倍。加厚焊脚尺寸时,其焊接顺序应从原有焊缝受力较小的部位开始。