钢材加工车间厂房钢结构加固设计

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摘要:某钢材剪切加工车间在夏季台风季节出现山墙墙板频临破坏、靠近山墙处厂房上柱倾斜、山墙柱间支撑变形等险情。对该厂房结构进行了全面的勘察和鉴定，并在此基础上对厂房进行全面的修复和加固，排除了结构的安全隐患，使厂房可以继续生产。

关键词:钢结构;加固;设计

1工程概况

某钢材剪切加工车间建于2001年，车间为全钢结构厂房，总长378m，宽为36m。该厂房分两期建设，其中一期厂房长度为120m，二期厂房直接紧邻一期厂房沿纵向布置，且两者之间并未设置伸缩缝。二期厂房檐口标高10.500m，吊车梁牛腿顶面标高6.300m，横向两跨，跨度均为18m，柱距6m，吊车梁长度为16．5m，每跨内均设有两台起重量为100kN的桥式吊车，吊车工作级别为A5，后因为使用过程中发现吊车频繁出现啃轨和断电现象，使用方又将吊车的起重量减少为80kN(图1)。厂房横向采用门式刚架结构体系，纵向设置柱间支撑。该厂房在建设时未进行正规的设计，且竣工后未保存任何工程图纸和施工记录。由于该厂房东侧山墙未设置抗风柱，在2012年的一次台风中，该山墙的墙面在风荷载作用下出现十分明显的波浪状变形，业主不得不紧急使用大量的毛竹将整片山墙撑住，才勉强抵抗住台风的侵袭。此外，厂房还存在较多明显的质量问题，如部分柱间支撑不完整，柱间支撑钢管、节点板、系杆变形比较普遍，严重影响厂房柱平面外的稳定，吊车存在啃轨现象，行车轮更换较为频繁，并且台风过后厂房山墙附近区域约4列中柱存在较为明显的倾斜现象。问题出现后，厂房的使用方曾自行对厂房的山墙采取了临时性加固措施，在山墙上增设了4根抗风柱，并对山墙墙面进行了简单修复，但此举仅为局部处理，未按厂房各系统进行整体考虑。业主从厂房安全使用的角度出发，特委托专业人员对厂房的安全以及使用现状进行检查及图纸测绘，按照国家及地方相关标准规范，对厂房使用状态作出综合评估，在评估的基础上对厂房进行加固设计，以保证厂房的安全有效使用。

2厂房结构勘察及鉴定

为了对厂房进行全面、有效的加固设计，需要对整个厂房结构进行细致的勘察，以检查出结构的安全隐患。因此，不但对厂房的屋面、墙面、吊车梁系统、柱系统、构件的连接节点进行了现场实地勘察和测绘，绘制出能够反映厂房实际现状的图纸，还对厂房的实际承载能力和正常使用状态进行了计算复核。对厂房的横向框架按照柱脚铰接的假定进行计算复核，计算结果发现边柱的下柱平面外应力超过了材料的容许应力，约为容许应力的1.15倍左右，如采用增大截面的做法则会面临巨大的加固费用和现场的焊接工作。由于厂房柱的柱脚底板较薄，仅为20mm，刚好满足构造要求，且仅在柱脚两侧翼缘各设置1块加劲肋，这样的柱脚构造仅能视为典型的铰接柱脚。在相同梁柱线刚度比下，柱底刚接比柱底铰接时的长细比更小，而减小长细比有利于降低柱平面外的应力。若将柱脚加固为刚接柱脚，其工作量显然比加大柱截面小得多，对厂房的生产运行的影响也可以降到最低，所以采取在柱脚增设加劲肋的措施，将底板分成若干个小区格，减小柱底板在柱底压应力作用下产生的弯矩，将柱脚加固成刚接柱脚，以减小厂房柱的长细比。厂房原有的柱间支撑杆件采用圆钢管或实心圆钢，其中圆钢用于部分上柱支撑。勘察中发现厂房整个柱间支撑的设置和施工存在诸多隐患:1)上柱的圆钢支撑基本处于松弛状态(图2a)，而圆钢支撑只有处于张紧状态时才能发挥作用，松弛的圆钢没有轴向刚度，屋面的纵向力无法有效地向下传递。2)部分圆钢管支撑有明显的弯曲变形，有的柱间支撑存在杆件缺失的情况(图2b)，而有的柱间支撑未延续至柱底(图2c)。发生弯曲的支撑其刚度已经退化，不能继续有效地抵抗水平力作用。缺失的支撑杆件以及未延续至柱底的柱间支撑阻断了水平力向下传递的路径，转而通过厂房柱平面外受弯来抵抗水平力。3)支撑节点板厚度较薄且有较为普遍的变形现象，柱间支撑杆件与节点板的连接长度也明显不足，连接焊缝的外观质量比较粗糙，有漏焊现象。4)十字交叉支撑的交叉节点构造不合理。有的采用直接相贯连接;有的在其中一根圆管上外套一段圆管作为加强措施，另一根支撑断开后再与外套管焊接连接。勘察中发现，钢管的相贯节点处已经出现管子凹陷的现象，外套管相贯节点处钢管错边的现象也比较普遍。这些交叉节点由于没有可靠的加强措施，也难以有效地传递结构内力，处于“半失效”的状态。对厂房的纵向柱间支撑系统进行计算复核，计算结果表明:在不考虑温度应力的前提下，现有的柱间支撑和系杆截面尚能满足设防烈度地震、风荷载和吊车纵向刹车力作用下的承载能力。但由于大批量的支撑杆件和系杆发生了明显变形，整个支撑系统已无法继续使用，而且端部的下柱支撑还使得温度应力无法释放。在勘察中发现，靠近山墙约4列中柱沿纵向倾斜严重。后经柱子倾斜测量表明，靠近二期厂房山墙部位的多根柱子已到达危险点，存在严重安全隐患。厂房在山墙处的两个柱距之间均布置了上柱和下柱支撑，并且该柱间支撑在每个下柱区域均设置了两道交叉支撑，由于厂房的纵向长度较长，在温度应力的作用下，该区域的柱间支撑均出现了不同程度的变形。从整个厂房柱间支撑系统的布置上来看，也存在很多不合理的地方。该厂房分两期建设，一期厂房的柱间支撑设置符合GB50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求，即在纵向温度区段的两端仅设置上柱柱间支撑，在温度区段的中部依据厂房的长度酌情设置若干道上、下柱柱间支撑;二期厂房的高度略低于一期厂房，且柱间支撑的设置未对两部分厂房进行统筹考虑，柱间支撑的布置显得较为无序和杂乱，两部分厂房之间也没有设置伸缩缝。二期厂房屋面檩条、吊车梁直接与一期厂房相连接，厂房纵向总长达到378m，远远超过CECS102∶2002《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中厂房纵向温度区段长度不得超过300m的规定。此外，二期厂房在纵向的两端均设置了下柱柱间支撑，使纵向温度应力无法释放，转而积聚在结构内部，经过多年冷热膨胀和收缩变形的往复作用，很多柱间支撑和纵向系杆均出现整体屈曲的现象。二期厂房的东侧山墙在台风期间出现重大险情，是本次勘察的重点之一。勘察中发现，使用方虽然对山墙采取了临时加固措施，增加了4根抗风柱，并在山墙局部布置了山墙柱间支撑，但是山墙柱的布置并不与山墙的长度相匹配，山墙柱的定位并未处于厂房柱之间的等分点上，很多山墙柱由于柱距较大，檩条的跨度也较长，在夏季台风季节仍会出现风荷载作用下墙面变形的可能。山墙柱的柱顶直接与屋面梁的下翼缘连接，在风荷载的作用下屋面梁受到抗风柱施加的扭矩作用，而屋面的水平支撑节间由于和抗风柱的位置错开，从而使得由山墙柱传给屋面的集中力不能直接传递给屋面的水平支撑系统，整个山墙区域的结构布置不能达到受力合理、传力直接的效果，这是加固改造的重点部位之一。对吊车梁进行了承载能力和正常使用状态的计算复核，计算结果发现吊车梁的承载能力不能满足两台吊车位于同一柱距内的工作状态;当1个柱距内仅有1台吊车工作且吊车的起重量达到100kN时，吊车梁强度和变形均不能满足相关规范要求;当1个柱距内仅有1台吊车工作且吊车的起重量达到80kN时，吊车梁强度能满足，跨中变形不能满足相关规范要求。由于吊车梁的加固需要通过在已有的吊车梁本体上焊接型钢或钢板的方式来增强其承载能力，其现场的焊接量巨大且会影响到车间正常的生产运行，故进一步限制吊车的起吊重量或许更切合实际。

3厂房结构加固设计

针对以上所述问题对整个厂房结构进行统筹考虑，制定出合理有效的加固设计方案。由于厂房的众多柱间支撑和纵向系杆均出现不同程度的整体屈曲变形，且布局存在诸多不合理，整个厂房纵向柱间支撑体系已处于不可靠的工作状态，不能为厂房柱提供稳定的平面外支点，所以厂房的柱间支撑系统应进行全面更换，并且由于厂房纵向长度超长，需要对一、二期厂房的结合处采取变形伸缩的措施，保证厂房的纵向受力体系可承受各种纵向力的作用，从而确保厂房结构的安全。1)在屋面和墙面檩条的檩托板上焊接事先开设好长圆孔的节点板，节点板作为檩条新的支座，原有檩托板上的螺栓在新节点板和原有檩托安装固定完毕后卸除，使得檩条可以沿着长圆孔的方向具备适当的伸缩滑动空间。2)将原吊车梁牛腿侧面加长，并更换吊车梁下方原有的水平节点板，重新安装开设有长圆孔的节点板，新节点板要与吊车梁的支座加劲肋间隔适当的距离。在安装新节点板前，吊车梁需事先从柱子上卸下，为节点板的安装提供操作面。吊车梁卸至地面后，在下翼缘对应节点板长圆孔的位置用磁力钻开设好螺栓孔，再重新安装至原位置，节点板的长圆孔与吊车梁下翼缘的圆孔之间用永久螺栓连接，使得吊车梁在厂房柱牛腿上能有适当的滑动距离。在处理好一、二期厂房变形伸缩的问题后，就可以着手布置二期厂房新的柱间支撑体系。二期厂房在纵向温度区段的端部仅布置上柱支撑，在温度区段的中间按照相邻柱间支撑间距不超过60m的原则，布置了3道上、下柱支撑，保证厂房纵向具备足够的刚度。上柱支撑采用单片支撑，支撑形式根据杆件的角度大小采用人字形或十字交叉形;下柱支撑采用双片支撑，支撑形式采用十字交叉形，支撑杆件均采用热轧角钢。二期厂房的山墙结构需要重新布置，原有的山墙柱并不废弃，但需重新布置在厂房横向的等分点处，抗风柱的柱距定为6m，与屋面水平支撑的节间相对应。抗风柱的上端用弹簧板与屋面梁腹板连接，连接位置设置在距离屋面梁上翼缘100mm处，可避免屋面梁受扭。山墙的檩条及墙面板也全部重新更换，檩条的檩距控制在1.5m以内，檩条与抗风柱之间设置隅撑以保证抗风柱内翼缘的侧向稳定。靠近山墙处的倾斜厂房柱存在安全隐患，其中?列线位于①、②轴的厂房柱的柱顶沿厂房纵向的倾斜值分别为88mm和193mm，倾斜度分别为柱高的1/131和1/60，已达到危险房屋的判定标准，但由于柱间支撑和吊车梁的支撑作用，厂房柱暂时未出现险情。为了排除安全隐患，在更换全厂柱间支撑的同时，需要对倾斜柱进行加固。厂房柱在倾斜后，屋面梁及吊车梁会对柱平面外产生附加弯矩的作用，所以对厂房柱的加固方法就是增加柱截面绕弱轴方向的截面模量。将屋面梁及吊车梁传给厂房柱的集中力乘以厂房柱柱顶和肩梁处的柱倾斜值就可以计算出厂房柱的平面外弯矩，在需要加固的厂房柱腹板两侧贴焊T形钢来承受该弯矩，T形钢的截面采用TN100×100，沿厂房柱的上柱或下柱全长设置。

4结束语

通过对该钢材加工厂房进行全面而细致地勘察和测量，并在此基础上对厂房的整体结构进行计算分析，从厂房的结构体系入手，找出影响结构正常承载和安全使用的主要问题，进而深入地分析和寻找厂房构件及节点构造中存在的安全隐患，由此顺利制定出对结构进行加固和修复的一整套全面、合理的实施办法，解决了山墙抗风能力不足、纵向支撑体系不能为厂房提供足够刚度的问题，确保该厂房能够安全、正常的生产运行。

参考文献

［1］GB50007—2003钢结构设计规范［S］．

［2］CECS102∶2002(2012版)门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［S］．

［3］GB50023—2009建筑抗震鉴定标准［S］．

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［6］上官子昌．钢结构加固设计与施工细节详解［M］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［7］张家启，李国胜，惠云玲．建筑结构检测鉴定与加固设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

［8］王宏林．建筑结构加固工程施工技术资料范例［M］．北京:中国建筑工业出版社，2011．

作者:沈佳星 肖志刚 单位:宝钢工程技术集团宝钢建筑系统集成有限公司