鋼結構廠房山墻新增大門開洞改造設計

李金

摘 要：文章通過工程案例介紹在原有鋼結構廠房山墻進行大門開洞改造的設計思路及施工步驟。從施工方便、投資最低等方面選擇最優的改造方案。

關鍵詞：墻架柱；托架；抽柱

中圖分類號：TU274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0001-02

隨著國家提倡節能減排、綠色建筑以及減少建筑垃圾排放的號召，建筑業的發展已由大規模的新建時期轉移到新建與舊有建筑維修、改造、加固并重時期。部分工業企業的舊有技術已阻礙了生產進步，影響了產品質量的提升，也制約著經濟效益。而其中某些廠房由于使用功能的改變、生產工藝的改變、設備的更新、或是在原有廠房的基礎上，再續建新車間，二者共同來實現新的工藝要求。這就需要對原有廠房的布局進行改造，增加某部分的使用空間，托梁（架）抽柱[1]這項技術能有效的解決擴大柱距這一問題。

1 工程概況

2009年，由我公司承擔的撫順某機械設備制造有限公司（大型螺紋環鎖緊式換熱器）搬遷擴能改造項目，為新建及搬遷項目，車間全長478.4 m，跨度75 m，檐口高度為28.7 m。主廠房車間建筑面積為46 387.2 m2。該廠房為三連跨排架結構，屋架為輕型鋼屋架及鋼梁。廠房基本柱距為12 m。其中20 b線至37線交C軸、D軸利用舊有廠房鋼柱搬遷，吊車噸位及工作制與舊有廠房相同，因此不需進行新的設計。

廠房平面布置，如圖1所示。該廠區原計劃分兩期建設，1～20 a軸為先建部分，20b-41軸為后建部分。因此在20 a軸線山墻最初設計時，作為臨時封閉措施，僅設計了4.5 mx4.5 m的大門。

該廠房下柱、中柱采用鋼管混凝土雙肢格構柱，上柱均采用焊接H型鋼柱。鋼材選用Q235B，鋼管內混凝土強度等級為C40。廠房外墻采用組合壓型鋼板，墻面檁條采用冷彎薄壁卷邊C型鋼，鋼材選用Q235B。對于20 a軸臨時墻架柱采用雙肢鋼管格構柱。原設計考慮待20 b至41線建設完成，拆除20 a線的墻面，保證廠房貫通完整。

但是到2010年底，該公司由于資金問題，20 a軸以后的廠房暫緩建設。為了保證容重車間的運輸功能，需要在原設計的20 a軸臨時墻架中部開設一大門。業主要求即便以后建設20 a軸之后的部分廠房，仍可利用該大門作為兩個車間的運輸通道，該墻面也不需拆除。因此大門洞口尺寸要盡可能的大，最后定為9 mx9 m洞口，如圖2所示。由于該廠房已經投入生產使用，故要求設計時應綜合考慮施工方便，施工周期短，不影響廠區生產。

2 設計方案的選取

業主最初的想法是用焊接H型鋼換掉新開門洞處被截斷的鋼管格構墻架柱。若采用業主的建議，施工工程量較大。首先得拆除新開洞口所在位置的全部墻板及墻梁，然后才能換掉已有的墻架柱，最后還需要恢復拆除部分的墻面系統，達不到施工簡單、施工周期短的要求。

經過仔細考量，進一步分析，由于新開洞口很大，此部分必須設置相關構件以承載洞口上方相關區域的荷載，且還需考慮如何把要拆除的墻架柱和需要設置的構件結合起來，達到既施工方便、周期又短的目的。

新開洞口兩側的柱距為12 m，若采用設置托梁的設計方案，因跨度較大，則托梁所需的截面會很大，且施工較困難，不好操作。

考慮原有山墻墻架柱在墻面外為雙肢格構柱，若采用托架，則構件輕巧，平面外的穩定也容易滿足。托架平面外支撐布置，如圖3所示，綜合評定，此方案能夠滿足要求[2]。

3 設計計算

對于新增加托架TJ-1承擔的荷載以豎向荷載為主，主要為擬拆除洞口上方墻架柱及墻面材料的自重P=40 kN，作為集中力作用在托架跨中。由于墻面荷載左右均勻布置，故托架采用豪克式桁架，使桁架斜腹桿均處于受拉狀態，按照《鋼結構設計規范》GB50017-2003表5.3.9受拉構件容許長細比取250，若是按受壓構件則長細比容許值為150。桿件按受力及長細比控制的截面將比受壓狀態計算的小很多。構件變形值

3.6 mm<[VQ]=l/400=12 000/400=30 mm

滿足規范要求[3]。

經計算，采用托架形式，截面應力也較小，且各項指標均滿足結構設計要求。

山墻在風荷載作用下，托架水平支撐計算：由風荷載產生的力FW=17.5 kN，該集中力作用在跨中位置。采用PKPM計算，托架水平支撐在風荷載下的構件應力、節點位移也均滿足結構設計要求。

4 節點構造處理

連接節點處理上：①鋼管柱與托架采用鉸接連接，該連接只向兩側墻架柱傳遞豎向荷載，不傳遞彎矩，能充分利用已有鋼柱的強度。同時鉸接連接施工簡單，容易操作。②作為托架中間豎桿的原有鋼管柱，由于9 m標高以下部分被切除，此處為開口截面，在托架TJ-1左右下弦桿拉力作用下，容易撕裂。因此在連接形式上采用環形節點板連接，連接節點板為一個整體，對節點處鋼柱起到環向約束的作用，避免環向應力過大導致鋼管撕裂和柱承載力的下降，試驗證明該連接方法具有優越的受力性能[4]，連接節點設計如圖3所示。

5 施工步驟

①第一步拆除擬開洞口部分（11.100 m標高以下）的墻板及墻面檁條；

②第二步安裝托架TJ-1；托架制作時應預起拱L/3 000；

③第三步現場安裝托架間水平支撐；

④第四步截斷擬開洞口處的墻架柱；截斷處用12 mm鋼板封堵端口；

⑤最后恢復多拆除部分的墻面系統。

6 結 語

每個工程都有自己的特點，所以托梁（架）抽柱的方案也應根據實際的工程情況選取。

①本案例中需要拆除的柱子為鋼山墻柱，在考慮設置托梁（架）時，綜合利用原有柱子，作為新設托架的一部分，結構設計上可行，施工上操作簡單。

②由于大部分托梁（架）抽柱的改造工程都安排在廠區設備檢修期間，而檢修期一般都不會太長，這就需要前期的準備工作都應在停產前準備完成。因該工程中構件均為鋼構件、且墻架柱承受豎向荷載有限，在設計時承載力富裕較多，而是以與穩定相關的長細比作為控制指標，因此該案例中托架兩側的鋼柱并不作強度加固，而長細比仍然滿足現行規范要求。

③為了實施合理的托梁（架）抽柱方案，實現荷載的有效轉移，保證截柱過程以及截柱后廠房結構的安全性，托梁（架）抽柱及結構加固施工方案也很重要，因此設計應給出托梁（架）抽柱的施工順序，確保施工過程的安全性。

參考文獻：

[1] 黃慧平.抽柱施工技術探討[J].建筑科學，2008，（16）.

[2] 吳鐵漢，陳嵐，袁精玲.廠房改造中大跨度托梁抽柱的設計與施工[J].工 業建筑，2002，（11）.

[3] GB 50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[4] CECS 230：2008，高層建筑鋼-混凝土混合結構設計規程[S].