某軋鋼廠房的托梁拔柱改造設計

邵 同 平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院，湖北 武漢 430223)

某軋鋼廠房的托梁拔柱改造設計

邵 同 平

(中冶南方工程技術(shù)有限公司技術(shù)研究院，湖北 武漢 430223)

以某軋鋼廠房托梁拔柱改造工程為例，通過現(xiàn)場調(diào)研及對原結(jié)構(gòu)的檢測評定，具體分析了該廠房的結(jié)構(gòu)特點，提出了運用托梁拔柱進行加固設計的施工方法，并作了詳細論述，為類似工程提供參考。

廠房，結(jié)構(gòu)，托梁拔柱，改造

1 工程概況

擬托梁拔柱的廠房為某軋鋼車間，建于1954年，整個軋鋼車間由兩跨組成，即加熱爐間(○Б 跨～○Д跨，跨度9 m)和均熱爐間(○Д 跨～○M跨，跨度32 m)，○Б列柱距為5 000 mm，○Д列柱距為15 000 mm，○M列柱距為5 000 mm，廠房平面尺寸為長×寬=180 m×41 m。兩跨均設有吊車，其中加熱爐間設一臺起重量為10 t的軟鉤橋式吊車，均熱爐間設有3臺起重量均為10 t的夾鉗橋式吊車。廠房主體承重結(jié)構(gòu)○Д 跨～○M跨為鋼結(jié)構(gòu)(鋼柱、鋼屋架、鋼吊車桁架)，而○Б 跨～○Д 跨為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(預制鋼筋混凝土柱、預制鋼筋混凝土屋面梁、預制鋼筋混凝土吊車梁)，采用天然地基、獨立杯口基礎(chǔ)，屋面圍護結(jié)構(gòu)均為預應力大型屋面板。為滿足工藝生產(chǎn)需要，擬對○M 列○20 線的鋼柱拔掉，因此必須進行加固設計。廠房的結(jié)構(gòu)平面布置見圖1，廠房的主排架見圖2。

2 前期準備工作

2.1 現(xiàn)場調(diào)研、收集原有設計資料

現(xiàn)場調(diào)研是托梁拔柱設計很重要的一個環(huán)節(jié)，目的是收集原有建筑物的資料和總的感性認識。原有的工程資料主要包括設計資料和施工資料，設計資料包括各個專業(yè)的施工圖、計算書和設計變更等；施工資料包括施工記錄、驗收記錄和各種施工質(zhì)量處理記錄等。

本工程由于建造年代久遠以及后續(xù)的一些改擴建項目的實施，使原有的建筑與最初的設計有了很大的區(qū)別，因此，現(xiàn)場調(diào)研的工作對于指導托梁拔柱的設計和施工方案的選擇有相當大的意義。同時，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，施工資料已經(jīng)遺失，而設計資料基本保持完好，所以，仔細讀懂圖紙的設計意圖就成了托梁拔柱設計成敗的關(guān)鍵。

2.2 原有結(jié)構(gòu)的檢測和評定[1，2]

為了能及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)較嚴重的損傷和缺陷，或者改變原有建筑物的使用功能，或者延長其使用壽命，在托梁拔柱設計前，都必須對原有的結(jié)構(gòu)進行專門的檢測和安全評定，為設計提供技術(shù)依據(jù)。

建設方委托了相關(guān)檢測機構(gòu)對現(xiàn)有建筑的施工質(zhì)量及現(xiàn)狀進行全面檢測，結(jié)果表明：1)現(xiàn)有廠房在原設計基礎(chǔ)上，做了局部的延長、吊車梁更換以及吊車型號變化，基本的承重結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有大的變化；2)混凝土原設計標號為200號，現(xiàn)場采用回彈法對柱、梁、基礎(chǔ)的混凝土強度進行測試，又用取芯法對柱的混凝土強度進行測試，并在測試的基礎(chǔ)上進行了強度修正，得到的混凝土強度等級基本滿足原設計要求；3)檢測中未發(fā)現(xiàn)混凝土構(gòu)件明顯的裂縫、鋼筋銹蝕、混凝土剝落，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本完好；4)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件防腐情況較好，未出現(xiàn)大面積的涂層脫落和明顯返修，構(gòu)件之間的連接未發(fā)現(xiàn)連接松動、脫落、開裂現(xiàn)象，構(gòu)件的局部損傷對于整個結(jié)構(gòu)體系影響不大；5)鋼結(jié)構(gòu)承重體系(鋼框架系統(tǒng)、屋蓋系統(tǒng)、吊車梁系統(tǒng)、圍護結(jié)構(gòu))完備，整個廠房結(jié)構(gòu)未觀察到明顯的不均勻沉降和傾斜。

檢測結(jié)果評定：原有結(jié)構(gòu)在使用多年及環(huán)境條件腐蝕下，部分構(gòu)件存在現(xiàn)行規(guī)范允許內(nèi)的偏差、缺陷和損傷，整個結(jié)構(gòu)基本是適合繼續(xù)承載以滿足生產(chǎn)需要的，因此，可以適當延長其使用壽命。

3 托梁拔柱設計

3.1 廠房結(jié)構(gòu)特點分析

由于均熱爐間的廠房高度特別高(檐口標高為21.658 m)，吊車輪壓大(最大輪壓314 kN)，而整個廠房跨數(shù)為雙跨(其中加熱爐跨為低跨，均熱爐間為高跨)，為使高跨有較大的橫向剛度，設計時把鋼柱與屋架的連接設計為剛接。從這個軋鋼廠房平面圖中可以看出，采用了分離式的柱網(wǎng)布置，列柱形成柱距很大的剛接主排架，其他行線為副剛架，為更好的承受水平荷載，這種平面布置的廠房排架結(jié)構(gòu)在分析計算時，必須考慮空間工作計算才更符合實際情況和經(jīng)濟合理，為此，原有的屋蓋結(jié)構(gòu)布置了剛強的縱向支撐，以保證廠房結(jié)構(gòu)的縱向穩(wěn)定并足夠傳遞縱向力。因此，列線的鋼柱拔掉后，屋面結(jié)構(gòu)有足夠的剛度而不必加固。

經(jīng)過計算，低跨(披跨)柱頂?shù)目箓?cè)剛度大于高跨剛架在低跨橫梁連接處抗側(cè)剛度的1/20，因此，披跨必須參與計算[3]。

從以上分析可知，該廠房的結(jié)構(gòu)特點為不等高的抽柱的剛接鋼排架結(jié)構(gòu)。對于本次托梁拔柱項目的結(jié)構(gòu)計算單元的選取參見圖1的陰影部分，計算單元的計算簡圖見圖3。

3.2 施工方法

該工程的托梁拔柱設計，按不揭屋蓋的方案進行施工，該方法加固工作量最小、最方便且較經(jīng)濟，即在結(jié)構(gòu)負荷狀態(tài)下加固。由于在負荷狀態(tài)下加固，對原有結(jié)構(gòu)和連接在加固施工時的應力(或承載能力)應有所要求，以保證加固安全，要求原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力富余20%或以上[4]；在負荷狀態(tài)下加大角焊縫的厚度時，原有的焊縫在扣除焊接熱影響區(qū)長度后的承載能力，應不小于

外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力；同時要求構(gòu)件沒有嚴重破壞(破損、變形、撓曲等)，也要有嚴格的施工技術(shù)方案措施和質(zhì)量要求保證。

3.3 基礎(chǔ)加固

為滿足地基承載力要求及控制豎向不均勻沉降，經(jīng)驗算表明，基礎(chǔ)底面積和配筋均不滿足規(guī)范要求，為此，需加大基礎(chǔ)底面積，寬度方向每邊增加350 mm，長度方向每邊增加500 mm，同時把基礎(chǔ)底板的厚度增加150 mm。基礎(chǔ)加固見圖4。

3.4 鋼排架柱加固

對于拔柱后按圖3所示的計算簡圖，○M 列柱的總的抗側(cè)剛度減小(柱數(shù)少了)了，因此，分配到○Б ，○Д 列柱的水平力就相應增加；同時對于○M 列柱，由于加固后，柱的剛度肯定要變化，因此，加固后計算單元的各排架柱的剛度比最好大致不變。按這個設計思路的計算表明，○Б 列柱不加固即能滿足要求，○Д 列柱只加固上柱即能滿足要求，而○M 列柱則要全截面加固才能滿足要求，同時，這也印證了這種平面布置的框排架結(jié)構(gòu)主排架的抵抗橫向水平力的能力。

鋼柱截面的加固要考慮到便于安裝施工與防腐維護，盡量不要損壞原有結(jié)構(gòu)，進行補強施工時，補強零件在柱長度范圍內(nèi)與橫向加勁肋或綴材相碰處，一般應將加勁肋或綴材割去，待補強后再將其恢復[5]。

對柱腳的驗算表面，柱腳不用補強即能滿足設計要求。

如圖5所示為○M 列○20 線的鋼柱拔掉后，按不等高剛接框排架計算[6]，得到的○18 線鋼柱下柱及上柱截面加固補強示意圖。

3.5 托架加固

托架的設計至關(guān)重要，要求能夠把屋面荷載向柱子安全可靠傳遞。如前所述，在○M 柱頂，鋼柱與每榀屋架的連接均設計為剛接，在此節(jié)點上存在著較大的彎矩，當把○M 列○20線鋼柱下柱截斷，保留上柱并兼作托架的豎直腹桿后，彎矩同樣無法消除，因此，設計托架時必須考慮把托架設計成空間桁架結(jié)構(gòu)抗扭以抵抗這部分彎矩，同時在設計旁邊的鋼柱時，應考慮這部分彎矩產(chǎn)生的影響。如圖6所示為托架示意圖。

4 結(jié)語

該廠房通過用托梁拔柱的方法進行加固設計，完全滿足了工藝調(diào)整后的運行要求，交付使用后，情況良好。采用托梁拔柱的設計方案，較之直接拆除，既節(jié)約投資，又縮短工期，達到了投資方的預期目的，受到業(yè)主好評，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。該項目的成功實施，能給此類工程提供一定借鑒，產(chǎn)生良好的社會效益。

[1] CECS 77∶96，鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S].

[2] YB 9257-56，鋼結(jié)構(gòu)檢測評定及加固技術(shù)規(guī)程[S].

[3] S09-78,冶金工業(yè)廠房鋼筋混凝土柱設計規(guī)程[S].

[4] 趙熙元.建筑鋼結(jié)構(gòu)設計手冊(下)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1995:389.

[5] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設計原理[M].北京:科學出版社，2005:450-457.

[6] 羅邦富,魏明鐘,沈祖炎.鋼結(jié)構(gòu)設計手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989:118-126.

The supporting beam and removing column transformation design of a steel rolling plant

SHAO Tong-ping

(TheTechnicalResearchInstitute,MCCSouthernEngineeringTechnologyLimitedCompany,Wuhan430223,China)

Taking a steel rolling plant supporting beam and removing column transformation project as an example, through the field investigation and detection and evaluation to original structure, analyzed in detail the structure characteristics of plant, put forward the construction method using the supporting beam and removing column to strengthen design, and discussed in detail, provided reference for similar engineering.

plant, structure, supporting beam and removing column, transformation

1009-6825(2014)28-0027-03

2014-07-28

邵同平(1972- )，男，高級工程師

TU318

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