改變計算圖形在鋼柱加固設計中的應用

梁曉杰

（太鋼（集團）工程技術有限公司，山西太原 030009）

1 加固背景

1.1 現場情況

某廠原料皮帶運輸通廊2腿支撐鋼柱（本文以下按柱名HZ-1）總高37m，工人現場巡查發現其存在肉眼可見的側向位移，經專業公司現場實測，支架本身平面外出現側彎，測量數據詳細如下：通廊軸線方向，支架HZ-1平面外為X為0（通廊軸線方向），平面內Y為0（通廊軸線垂直方向）；距地 10m，X=34，Y=17；19m，X=112，Y=36；37m，X=20，Y=70。

鋼柱HZ-1在平面外出現側撓，最大撓度在柱子中部，撓度為112m。支架HZ-1撓曲變形現狀見圖1。

圖1 HZ-1現狀

圖2 HZ-1加固后立面

1.2 原因分析

復核HZ-1支架原結構計算模型，HZ-1支架柱柱腳為剛接，上部與通廊為鉸接，長度計算系數按1.0。按照規范，該柱“容許長細比”為150。HZ-1支架柱選用型鋼為HM800×300×13×26，實際計算結果為125，計算滿足要求。

以上為HZ-1僅考慮軸壓力的理想工況，但在實際使用過程中，未知的工況，如：①支架間增加氣力輸灰管道產生的推力；②斜通廊重力（通廊自重和皮帶機、物料重量）的水平分力對柱的推力。

本案HZ-1原設計僅考慮頂部通廊荷載軸向壓力，未考慮側向力對鋼柱產生的影響，實際上HZ-1支架距地7.3m處吊掛一根氣力輸灰管道，管道靠高壓氣體進行除塵灰輸送。除塵灰在高壓氣體作用下，向前移動，對管道產生摩擦力，此力最終成為傳導至HZ-1支架上的推力。此推力作用下，在HZ-1頂部通廊內人員明顯能感到通廊的固定頻率單向晃動，通廊內作業人員明顯感覺不舒適，結構存在不安全。

以上增加的①和②未知工況疊加的側向力，使HZ-1柱由單純軸壓構件變成偏心受壓作用的構件，這種偏心受壓作用桿件，不論壓力偏心多么小，壓桿的次要變形—彎曲變形都有可能隨著變形或壓力的增大而不斷增大，并逐漸轉化為主要變形。

經過復核，HZ-1支架頂部通廊的壓力（單柱750kN）已接近實腹鋼柱臨界力，原處在穩定平衡狀態的鋼柱會因側向力向剛度較小的一側發生彎曲或扭轉，如令其變形繼續發展，會造成整體喪失穩定。為此，急需對HZ-1進行加固，以確保生產安全運行。

2 方案對比

根據《鋼結構加固技術規范》（CEC S77—96）中3.3.1條，鋼結構加固主要方法有：減輕結構（構件）荷載、改變結構計算圖形、加大原結構構件截面等。根據本工程實際情況，考慮采用改變結構計算圖形的加固方法。此方法主要指采用改變結構荷載傳力途徑、改變荷載分布狀況、改變節點（約束）性質以及構件邊界條件，增設附加桿件和支撐、對構件施加預應力和考慮構件空間協同工作等措施對結構進行加固的方法。

結合現場實際情況，根據業主要求，我司經過現場測量及勘察，原因分析，提出兩個加固方案：①新建支架：新建一4腿固定支架，新支架建成后，通廊荷載全部轉移到新支架上，原HZ-1退出工作。此方案需要新立支架和基礎；②改變結構計算圖形的加固方法：把已經變形的HZ-1支架柱當做桁架結構的受壓桿，在柱東側增設弦桿承擔拉力，壓桿與受拉桿之間用腹桿構造連接。

按照工業建筑設計中要求貫徹“堅固適用、技術先進、經濟合理”的方針，對比兩個方案：①設計保守、安全穩妥，偏于安全，符合“堅固適用”原則，但需新做4個基礎，占地面積大、施工周期長且高空作業施工難度大；②結構簡單、設計新穎、造價低、施工相對簡單，符合“技術先進、經濟合理”的方針。

綜合考慮結構安全、技術、經濟、施工周期等幾方面因素，為保證生產正常進行，減小加固施工帶來的干擾，業主傾向于方案②。此加固方案不能對鋼柱變形進行“糾偏”，其目的只能是防止鋼柱側向變形繼續加大，屬于“折中”的結構加固方案。

3 加固結構設計

3.1 改變計算圖形

HZ-1為單片滑動支架，HZ-1偏壓鋼柱一側增設構件，構件之間采用腹桿連接，改變了其結構計算圖形。如將增加受拉桿件的支架順時針旋轉90°放置水平，即為典型的“桁架”結構。此方案增設附加受拉桿件和構造腹桿，將已發生彎曲變形的鋼柱變為整體“桁架”中的受壓構件，增加的構件為桁架受拉弦桿，改變了結構形式和荷載傳力途徑。

3.2 結構計算

結構計算用PKPM軟件STS-2模塊，建模輸入參數，確認柱底和柱頂支座約束條件（對構件計算長細比結果至關重要），進行分析計算，構件以長細比控制為主，為安全穩妥起見，將計算指標（強度比、穩定應力比）控制在0.6左右，構件截面適當加大，以加大安全儲備。

結構計算模型和結果分別見圖3、圖4。

圖3 HZ-1結構計算模型

圖4 計算結果圖形

4 結構穩定的再思考

穩定無疑是細長柱設計的控制工況，對柱彎曲失穩臨界應力影響最大的主要因素是長細比，細長構件往往是其強度未達到達極限狀態就會喪失穩定，而軸心受壓構件最常見的是彎曲失穩。

柱越長或越細，即長細比越大，則臨界應力越小，越容易彎曲失穩。柱彎曲失穩總是順著剛度較弱的方向，即長細比較大的方向發生。

結構設計選擇構件應首選長細比各向同性的圓管、方管構件，對于兩個主軸x、y軸長細比不相等或差異巨大的構件，其彎曲失穩總是順著剛度較弱的一側發生，即長細比較大的方向發生，故結構計算尤其空間結構計算應充分考慮構件各個方向的長細比。

設計人在本例計算時，只進行單個支架的計算，而不是幾個支架和通廊整體建模，再者使用工況超出設計工況，結構受力狀況發生改變，使軸壓構件變為偏心受壓構件，構件發生變形并不斷發展，從而對影響結構使用甚至帶來結構安全隱患。

基于對HZ-1變形的原因分析，筆者認為對于高聳結構，如支架、塔架，設計人員在進行單個構筑物結構計算時，在充分考慮所有工況的情況下做結構整體分析計算，對處在軸壓臨界力狀態下的“細長”構件，應加大構件截面，例如本案中HZ-1鋼柱長細比應控制在100以下，以增加安全儲備。

5 結論

加固設計中改變計算圖形，其結構計算簡圖，應按結構形式，依據實際荷載、支承約束情況、邊界條件、傳力途徑等確定，應充分考慮結構使用中的各種不利工況，但實際工作中的有利因素也應適當考慮，如結構的空間作用以及新結構和原結構的共同作用等因素。

本例中，改變結構計算圖形做為鋼柱加固設計的一種方法，將受壓鋼柱一側增加受拉弦桿，等同于桁架下增加撐桿的加固方式。計算圖形的改變，實則是結構形式的改變，將軸壓柱轉為“桁架構件”對原結構進行加固，增強構件剛度，遏制變形發展，保證了結構安全性；同時施工過程節省工期，節約造價。從加固后2年的實際使用情況來看，變形得到了遏制，結構得以繼續使用，設計滿足要求。