某電廠職工餐廳屋面網架改造加固設計分析

王敏　張小樂　賈軍剛

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原　030001）

某電廠職工餐廳屋面網架改造加固設計分析

王敏張小樂賈軍剛

（中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原030001）

山西某電廠職工餐廳屋面網架，由于擴建和建筑立面發生變化，外懸挑尺寸減小，引起原設計部分桿件承載力不滿足要求，需進行加固改造，改造期間需保證原餐廳處于使用狀態。本文結合網架加固改造的常見問題，分析本工程實施加固改造需采取的措施，給出網架桿件承載力不滿足規范要求時的加固方法和后續的施工注意問題，為同類建筑屋面網架改造加固提供了可借鑒的經驗。

網架改造加固貼焊角鋼施工順序

1　引言

空間網架結構，因其造型美觀、受力合理、抗震性能好、覆蓋空間大、施工速度快等諸多優點，使得其在工業廠房、大跨度倉庫、民用大空間場館等屋面結構中得到了廣泛應用。同時，對于已建成的屋面網架結構，因建筑物的使用功能改變、裝修立面改觀、使用空間擴容及荷重增加等原因，引起屋面外形及結構尺寸發生變化，使得空間網架桿件、節點、支座的內力等發生變化，以致使桿件、節點等不能滿足設計承載力要求，進而必需對其進行加固改造。

通常建筑屋面網架結構改造加固，應滿足現行國家規程、規范的要求，同時需做好以下幾方面的工作：

（1）查閱原設計圖紙和竣工資料，理解原設計意圖，考慮新建筑設計布置帶來的變化，注意新、舊建筑銜接部分的結構和建筑關系及構造做法；

（2）現場調查網架的使用情況，結合新改網架設計情況，分析荷載作用情形，按現行規范復核原網架與更改后網架，對比分析各桿件內力及地基基礎的強度和變形，根據布置及荷載變化，計算分析原有建筑結構在安全可靠的前提下是否需加固；

（3）選擇加固改造設計方案，應全面細致考慮施工實施過程，盡量減小改造施工對原結構正常使用的影響，施工快捷、經濟合理、確保質量。

2　工程概況及改造要求

該電廠職工餐廳及附屬建筑建設于2003年，屋面為鋼網架結構，現根據業主要求拆除原有餐廳右側部分單層建筑后，再貼建一相同跨度的餐廳，以擴大職工就餐面積（見圖1），屋面仍采用網架結構。為實現新、舊餐廳的銜接和建筑立面風格的一致，建筑專業將原餐廳屋面由外挑弧狀立面（見圖2）設計改為直線立面（見圖3），并減小屋面懸挑的外包尺寸，使建筑立面風格改變。同時業主要求改造施工對原有餐廳部分的影響盡可能減小，盡量縮短工期，以便及早使用，因此，結構專業在考慮對屋面網架進行改造設計和與新增餐廳屋面的銜接設計的同時，還需考慮改造方案實施的全過程。

原屋面網架結構為鋼管桿件、焊接球節點正放四角錐平板網架，四坡屋面，下弦四邊支承，系按1991年版規范設計。支座內平面尺寸30mX18m，周邊外懸挑2.5m。網架桿件共1728根，焊接球節點共463個，其中上弦桿462根，下弦桿402根，腹桿864根。桿件規格為兩種：60X3.5和76X4；焊接球節點（含支座）均為WS200X6，鋼材材質Q235B，支座形式為平板支座，其底板與周圈混凝土梁頂預埋件焊接。

圖1　改造前后餐廳平面圖

圖2　原有餐廳外觀圖

圖3　改造后餐廳效果圖

3　改造方案及驗算分析

3.1改造方案簡述

原餐廳女兒墻弧形立面變為平面立面，屋面網架改造需切除周邊部分球和桿件，如圖4剖面中虛線球節點及桿件部分，將原網架周圍懸挑2.5m改為懸挑1m寬，拆除部分按對稱形式進行，先橫向后縱向。改造后網架支座內平面尺寸及網架形狀、支座形式、屋面板材、防水保溫及屋面找坡等荷載條件均不改變。原網架為四邊支承，四周支承墻及其暗柱必需保留。為使新舊餐廳墻體立面統一、建筑風格簡潔美觀、屋面銜接自然、保溫隔熱、防水密封、結構可靠，新增餐廳屋面網架結構由新增基礎、鋼筋混凝土框架結構、周圈連續梁，仍采用四邊支承形式，新舊銜接側為懸挑網架，在此不再贅述。

圖4　改造后網架平面布置示意圖

3.2驗算原則及荷載取值

在前述條件的情形下，原網架外懸挑結構尺寸減小，懸挑端女兒墻位置內移，此處荷載相應減小，網架支座及跨中桿件內力必然發生變化，既有支座、桿件是否滿足安全使用要求，具體采用何加固方案，需通過驗算對比分析才能確定。

網架結構的外荷載按靜力等效原則，將節點所轄區域內的荷載等效集中作用在該節點上。結構分析時可忽略節點剛度的影響，假定節點為鉸接，桿件只承受軸力。采用國內通用的空間網架結構設計軟件MST（2011版）進行分析復核。

擴建改造切去原網架周邊1.5m，需割掉上弦桿116根，下弦桿108根，腹桿224根，球節點116個（見圖4），支座位置數量不變，荷載條件如下：

屋面恒載、活載按規范取值，荷載作用在網架上弦節點，程序計算不包含網架結構自重。原屋面板、保溫、防水、新設女兒墻以及檢修荷載按實際輸入；其中施工和使用階段的節點荷載，均不得超過設計驗算數值。

風荷載、雪荷載按當地50年一遇取值。在進行網架屋蓋圍護結構計算時，屋面各部分的體形系數取值按《建筑結構荷載規范》GB50009-2012。

地震作用：當地抗震設防烈度6度（0.05g），根據《空間網格結構技術規程》JGJ7-2010，地震作用可不考慮。各分項系數取值按荷載規范要求。

圖5　上弦桿加固做法圖

圖6　下弦桿加固做法圖

3.3驗算結果及分析

通過復核驗算對比分析改造前、后屋面網架桿件內力得知：由于改造屋面部分建筑物高度未發生變化，僅周邊面積減小，故支座內力有所減小；由于原懸挑部分切除，支座附近桿件內力出現拉、壓變號情形，但桿件內力變化幅度不大；所有焊接球節點及斜腹桿內力變化不大，且應力比在安全范圍內，應力比均小于0.85，說明原腹桿構件有較多的安全儲備；結構跨中計算最大撓度35mm，滿足規范要求。但跨中上、下弦桿件的內力變化較大，部分桿件應力比大于1，最大應力比約為1.2，不滿足安全允許要求。

通過對改造后的網架桿件重新計算，并與原網架對應桿件對比統計，上弦桿有52根不滿足要求，主要分布在跨中的橫向桿件中；下弦桿有10根桿件不滿足要求，分布在跨中③④軸之間，其余桿件和球節點均滿足要求。

4　網架加固方法分析

4.1改造加固分析

根據原屋面網架施工設計圖和改造設計方案，對原網架結構的安全性進行驗算分析，得知現存各桿件的設計現狀，網架支座、節點以及大部分桿件滿足正常使用要求，僅少數桿件不滿足強度要求。依據國家有關建（構）筑物改造現行規程、規范，應委托有相應資質的單位對本屋面及其結構、基礎、地基，進行結構可靠性鑒定，證明原結構及屋面網架，經過近10年來的使用，目前是安全可靠的，具備改造條件，對按改造意圖、設計計算、加固桿件進行分析評價，并對其他可能存在的設計施工和使用問題給予論述說明，得出相關的結論，以便加固施工改造的正常實施，并保證施工環境影響，減小對同步使用的影響。

改造加固工程不同于新建工程，其如同對原有結構做手術一般，必須有詳細的實施程序。改造可能要取消桿件、尺寸變化或增加荷載，加固條件復雜和原結構上焊接，即是特殊的施工工況，也使結構荷載桿件內力發生了變化，稍不注意就可能發生施工安全問題。顯然，本工程須先加固、后改造，即對復核計算不滿足要求的桿件進行加固，使其加固安全可靠后，方可拆除改造周圈懸挑部分。

改造加固及使用過程中，恒載活荷載不得超過復核計算時的取用荷載。考慮加固施工期間，餐廳仍然有使用的可能。因而施工只能分片采用移動升降平臺，逐桿件加固施工，盡量不使額外荷載作用于網架。拆除多余桿件時，應按對稱方式進行，先橫向后縱向；桿件加固順序由內向外，先上弦，后下弦。

4.2改造加固方法

鋼結構桿件不滿足強度要求時，增大截面法是最常見的方法，緊貼原鋼管焊鋼筋、鋼板、套圓管、包角鋼均能達到要求，從外觀上看，套焊鋼管比較合適，但套管加工難度較大；考慮到需加固桿件承載力欠缺較小，建筑裝飾要加吊頂處理，從桿件下料和施工方便出發，決定對不滿足要求的桿件通長貼焊角鋼加固，并將角鋼與兩端球節點焊牢，使補強角鋼與鋼管形成新桿件，其截面積選取，按改造后網架桿件計算面積適當放大，使應力比控制在0.85以內，確保安全可靠。

由于改造前后桿件計算內力相差較小，各桿件只需加固一根小規格L50×5的角鋼即可，做法詳見圖5、圖6。該方法能有效地提高圓管結構的承載力，并能使加固結構和原結構有效地聯合，共同抵抗外荷載的作用，桿件軸心受力的偏心影響較小。為減小桿件應力集中，角鋼與球和鋼管焊接采用低氫細焊絲。

5　施工注意事項

（1）為減少拆除網架周邊懸挑部分時產生對支座內桿件工作狀態的不利影響，應先對桿件實施加固施工，待驗收合格后，再對懸挑部分實施拆除。

（2）加固角鋼按現場網架加固桿件尺寸度量，事先逐一放樣，角鋼兩端切割弧度與球節點對應一致，核準無誤后方可下料。角鋼與球節點和鋼管焊接部位應事先將原涂漆去除，露出金屬光澤后方能施焊，應采用低氫細焊絲焊接，以減小焊接應力的不利影響。最終應對加固和改造部分進行防腐涂漆處理。

（3）施工應采用移動升降平臺，分段對需加固的桿件逐一加固，以控制施工荷載數值，確保加固施工過程中，桿件內力變化值小于加固允許設計值。

（4）如需在網架上設置臨時操作平臺，平臺支點應直接作用于焊接球節點上，不得將加固操作平臺直接搭放在桿件上，以免引起桿件失穩。

（5）施工加固順序應為先下弦桿后加固上弦桿。加固時應將加固角鋼兩側與球節點焊牢后，再將角鋼均勻斷續的貼焊在鋼管上，減小桿件的殘余應力。

（6）多余桿件節點應對稱拆除，先橫向后縱向，拆除部分桿件與屋面板應保證切口整齊，以便使新建女兒墻骨架連接平整。拆除時應注意不得損傷相鄰現存節點和桿件。應采取必要措施，減小落物、落塵影響，確保餐廳的環境文明。