大跨度門式剛架結構屋面鋼梁加固設計研究

王　海,王　偉,諸宏博

(1.浙江省建筑科學設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建設工程質量檢驗站有限公司， 浙江 杭州 310012)

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大跨度門式剛架結構屋面鋼梁加固設計研究

王海1，2,王偉1，2,諸宏博1，2

(1.浙江省建筑科學設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建設工程質量檢驗站有限公司， 浙江 杭州 310012)

某59m跨輕型門式剛架廠房由于使用功能改變而導致結構所受荷載增加,在對該廠房剛架進行檢測時,發(fā)現(xiàn)屋面鋼梁截面尺寸及焊縫質量未滿足現(xiàn)行相關國家規(guī)范要求且與原設計偏差較大,經(jīng)計算表明無法滿足承載力要求。今以此工程為例,對既有門式剛架結構廠房的加固改造設計方案進行研究,通過在原有H型鋼梁基礎上增加下弦桿、豎向拉桿及斜拉桿,使其成為鋼桁架結構體系。桿件連接節(jié)點部位采用節(jié)點板焊接連接,下弦桿與原有鋼柱采用節(jié)點板螺栓連接,并采用分段改造的方式。設計方案中由于采用了斜拉桿從而降低了節(jié)點區(qū)的應力,于是在保證結構體系剛度的同時減小了整體鋼桁架的計算高度,分段加固的節(jié)點與鋼柱連接既滿足了與柱的剛性連接,也保證了鋼桁架整體承載力和剛度的連續(xù)性。

門式剛架；桁架；加固改造

2000年以來隨著國家工業(yè)化生產(chǎn)的集約化、規(guī)模化，使得工業(yè)廠房大規(guī)模開發(fā)建設,其中輕型門式剛架結構廠房由于其結構輕、工期短、現(xiàn)場組裝便捷、經(jīng)濟效益明顯[1]等優(yōu)勢而得到大規(guī)模推廣。

經(jīng)過多年的發(fā)展,許多企業(yè)由于生產(chǎn)工藝及環(huán)保理念的提升逐漸對原有廠房提出了提升改造的要求。由于工業(yè)化生產(chǎn)工藝的改變對原有廠房的使用荷載有較大的變化[1],在門式剛架廣泛應用的同時,對既有門式剛架廠房的加固和改造提升也逐漸趨向迫切。本文通過某單層門式剛架結構工業(yè)廠房加固設計的工程實例,對門式剛架加固方案前后的受力情況進行對比研究,希望對同類的工程有一定的借鑒意義。

1　 工程概況

浙江省衢州市開發(fā)區(qū)某鋼結構廠房,為單層門式剛架結構,長120.42m×寬59.02m,總建筑面積7193.5m2。跨度為18.76、21.5、18.76m,縱向柱距9.0m,邊跨柱距6.21m,檐口高度6.9m,屋脊高度9.2m。

邊柱采用變截面H型鋼,截面尺寸為H300～560×200×6×8,中柱采用等截面H型鋼,截面尺寸為H300×200×6×10；鋼梁均采用三段H型鋼梁拼接,截面尺寸分別為H600～550×150×5×8、H550×150×5×6、H550～680×200×6×10。單層廠房剛架采用Q345B鋼,其他均采用Q235B鋼,門式剛架平面布置及剖面示意圖見圖1、圖2。

由于業(yè)主方擬在屋面鋪設太陽能光伏板(1.5kN/m2),根據(jù)屋面相同坡度沿屋面鋪設,并于屋面以下設置吊頂(0.4kN/m2)。因此,需對該門式剛架結構進行承載力復合。

2　 承載力復合

根據(jù)門式剛架結構體系的受力特點,對該廠房的主體剛架及支撐桿件等構造體系建立空間模型進行計算分析[2]。

圖1　門式剛架剖面示意圖

圖2　門式剛架平面布置示意圖

2.1基本參數(shù)

荷載取值：屋面自重為0.15kN/m2,屋面活荷載(不上人屋面)0.5kN/m2,太陽能光伏板自重為1.5kN/m2,檁條自重為0.05kN/m2,吊頂及吊掛荷載為0.4kN/m2。

根據(jù)該房屋所在地的相關資料,該廠房基本風壓為0.35kN/m2,雪荷載為0.5kN/m2,地面粗糙系數(shù)為B類；地震設防烈度取6度,0.05g,設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅲ類。

2.2計算分析

采用MIDAS/Civilv6.71進行模型建立,經(jīng)有限元計算分析,其桿件最大應力比為1.05,其余桿件多數(shù)大于0.95,且應力分布不均衡,應力最大處位于單側屋面鋼梁跨中部位,鋼梁和鋼柱交接處；最大位移為115.0mm,接近于規(guī)范規(guī)定的L/180,即119mm；檁條撓度值約為1/129,不滿足規(guī)范中1/200的限值要求。該門式剛架的應力比分布及位移見圖3、圖4。

2.3結論及處理意見

根據(jù)分析結果,荷載增加后使得該廠房的門式剛架結構體系承載力及變形量控制不能滿足《鋼結構設計規(guī)范(GB50017—2003)》[3]的相關要求。鑒于此,為了滿足使用需要及房屋安全性要求,應對其采取加固補強措施。

圖3　門式剛架應力比分布圖

圖4　門式剛架位移量示意圖

3　 加固方案

本工程采用對屋面結構增設鋼桁架的方式進行加固,并增設水平支撐和垂直支撐。設計相關參數(shù)同本文2.1節(jié),工程安全等級為二級,加固設計使用年限為50年。

材料選用：鋼梁、主桁架、相關節(jié)點板所用鋼板及熱軋型鋼Q345B,系桿、水平支撐及相關節(jié)點板所用鋼板及熱軋型鋼Q235B。

螺栓連接、焊接連接等制作與安裝均應滿足現(xiàn)行國家相關標準要求。

3.1標準門式剛架加固措施

設計采取在原門式剛架(GJ1)屋面梁下增設下弦桿,以原H型鋼梁作為上弦桿共同作用。桁架端部高度為1.346m,屋脊高度為2.142m；邊跨由邊柱起分別于2.65、4.61、3.0、3.0、3.0m處設置豎向拉桿至中柱1,中間跨由中柱1至中柱2分別于3.0、3.0、3.0、1.75m(屋脊)處設置豎向拉桿,對稱布置；各桿件連接節(jié)點均采用8mm厚節(jié)點板焊接連接,桁架布置見圖5。

3.2山墻位置門式剛架加固措施

設計采取在原門式剛架(GJ2)屋面梁下增加折線形鋼桁架。桁架端部距離邊柱頂1.9m,跨中頂部距屋脊高度為2.472m,桁架高度1.728m；邊跨斜拉桿節(jié)點,由邊柱起分別位于3.215、1.5、1.5、1.5、1.54m至抗風柱1,第二跨斜拉桿節(jié)點,由抗風柱1起分別位于1.75、1.5、1.5、1.5、1.5、1.75m至抗風柱2,中間跨由抗風柱2起分別位于1.875、1.75、1.75、1.75、1.75、1.875m至中柱,在抗風柱1與抗風柱2之間增加柱間支撐,對稱布置；各桿件連接節(jié)點均采用8mm厚節(jié)點板焊接連接,節(jié)點板與鋼柱連接采用M20高強螺栓連接,桁架布置及節(jié)點構造見圖6、圖7。

圖5　標準桁架桿件布設示意圖

4　對比分析

采用MIDAS/Civilv6.71有限元軟件分析,建立門式剛架結構體系加固后的有限元模型,荷載及荷載組合情況與原設計相同[1]。

圖6　桁架桿件布設示意圖

圖7　梁柱節(jié)點構造示意圖

為體現(xiàn)門式剛架廠房加固后承載力的影響和加固方案滿足剛度要求,對加固方案前后門式剛架各個部位的最大應力比進行了比較,并對門式剛架的位移量進行比較分析。表1為門式剛架各個部位的最大應力比,表2為門式剛架最大位移量。

表1　門式剛架梁柱應力比

表2　門式剛架最大位移

根據(jù)《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程(CECS 102∶2002)》[4](2012年版)中的相關規(guī)定,門式剛架斜梁豎向撓度不得超過跨度的L/180[4]。則跨度為18.76 m的剛架梁撓度不得大于104 mm,跨度為21.5 m的剛架梁撓度不得大于119 mm[4]。

通過表1和表2中的相關數(shù)值可以看出，加固后門式剛架的撓度均明顯較小,且位移量均滿足規(guī)范相關限值要求。

5　結　語

通過對現(xiàn)有某廠房原結構增加荷載后的結構體系重新進行模型建立及有限元分析,發(fā)現(xiàn)原結構不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求即不能滿足安全使用要求,進而對該廠房進行加固方案設計并進行分析研究。

通過分析發(fā)現(xiàn)加固方案設計能滿足強度、剛度和穩(wěn)定性等安全要求,并滿足現(xiàn)行設計規(guī)范的要求,從而較好地達到了使用要求和加固的效果。

[1]閆翔宇,李路川,于敬海，等.既有門式剛架結構加固改造方案研究[J]. 工程抗震與加固改造,2014,36(3)：86-90．

[2]王元清,王喆,石永久,等.門式剛架輕型房屋鋼結構廠房加固設計[J].工業(yè)建筑,2001,31(8)：51-52．

[3]中國建筑科學研究院.GB 50017—2003鋼結構設計規(guī)范[S]．北京：中國計劃出版社，2003.

[4]中國建筑金屬結構協(xié)會建筑鋼結構委員會，中國建筑標準設計研究所.CECS 102∶2002 門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

Study on the Reinforcing Design of Roofing Steel Beam for the Large Span Portal Frame Structure

WANG Hai1，2,WANG Wei1，2,ZHU Hongbo1，2

2016-02-22

王海(1980—),男,浙江杭州人,高級工程師，從事建筑結構檢測鑒定及加固設計工作。

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