某钢材加工车间厂房钢结构加固设计
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
图1 厂房横向剖面
某钢材剪切加工车间建于2001年,车间为全钢结构厂房,总长378 m,宽为36 m。该厂房分两期建设,其中一期厂房长度为120 m,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10.500 m,吊车梁牛腿顶面标高6.300 m,横向两跨,跨度均为18 m,柱距6 m,吊车梁长度为16.5 m,每跨内均设有两台起重量为100 kN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80 kN(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
1 / 10
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。
2 / 10
由于厂房柱的柱脚底板较薄,仅为20 mm,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。
a—上柱圆钢支撑松弛；b—圆钢支撑弯曲变形,柱间支撑杆件缺失；c—柱间支撑设置不合理。
图2 安全隐患示意
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
3 / 10
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GB 50011—2010《建筑抗震设
4 / 10
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378 m,远远超过CECS 102∶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300 m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
5 / 10
某钢材加工车间厂房钢结构加固设计
