鋼結構廠房加固優化設計的原因及措施

周安樓

摘 要：與傳統的鋼筋混凝土結構相比，新興的鋼結構具有結構穩固、投入少、施工效率高、回報期短、環境污染小和可重復使用等諸多優勢，在廠房建筑中有大范圍的應用。然而，調查發現，這種鋼結構存在一些缺陷，隱藏一些安全風險。因此，人們需要對其進行加固，以確保生產安全進行，減小風險產生率。鋼結構建筑是科學技術不斷提升的產物，在廠房的大范圍運用中顯示了其獨特優勢。筆者結合實踐工作經驗，剖析了鋼結構廠房的特征和進行加固優化的緣由，指出了加固過程中需要注意的問題。

關鍵詞：鋼結構廠房;建筑加固;優化;設計措施

中圖分類號：TU746.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）04-0121-03

Abstract： Compared with the traditional reinforced concrete structure， the emerging steel structure has many advantages such as stable structure， low investment， high construction efficiency， short payback period， low environmental pollution and reusability， which has a wide range of applications in plant construction. However， the investigation finds that this steel structure has some defects， hiding some safety risks. Therefore， people need to strengthen it to ensure safe production and reduce the rate of risk. Steel structure building is the product of the continuous improvement of science and technology， and has shown its unique advantages in the large-scale application of factory buildings. Combining practical work experience， the author analyzed the characteristics of steel structure workshops and the reasons for reinforcement optimization， and pointed out the problems that need attention in the reinforcement process.

Keywords： steel structure workshop;building reinforcement;optimization;design measures

廠房是工業生產的基礎設施，可以確保生產的順利進行，同時為工人營造優良的工作環境。在實踐應用中，鋼結構有很多優勢，然而也存在一些問題。若沒有及時清除鋼結構廠房隱藏的安全風險，便會導致企業工作人員、財產受損。伴隨工廠規模的增大，廠房荷載逐漸增大，鋼結構使用時間變長，工廠管理人員一定要高度重視鋼結構廠房的加固。加固技術運用期間，施工人員應當依據設計要求，制定有較強可行性的施工計劃。為保證施工效果，施工人員應當關注以下問題。一是加固施工期間，廠房生產活動依舊進行，為確保工人與財產的安全，所有人員要做好防護舉措，防止危險事件的發生，如果有必要，可將廠房內的所有人員撤出。二是施工人員在進行鋼筋焊接時要防范焊接變形，高度重視應力集中問題。三是加固過程中使用的角鋼、結構支座等構件應當在加工后直接使用，并確保構件尺寸合適。

1 鋼結構加固設計的重要性

鋼結構在建筑工程領域的優勢十分突出，應用范圍日漸廣泛。然而，由于許多實踐都是嘗試性建設，因此項目建設初始環節容易存在一定問題，在靜態載荷或者動態載荷的長期影響下會產生安全隱患，人們需要對一些建筑進行加固處理[1]。經過工程案例梳理可知，加固是為了應對多種情形下的荷載，通常分為3種情形。

一是設計的初始時期載荷核算不精準，或者受人為或經濟等因素的影響，導致完工后的鋼結構廠房的承載力未達到設計標準，產生形變問題，形成了安全風險。如果建設時使用的是輕質鋼材，就易導致塌方問題。施工人員要采取恰當的加固舉措，提升鋼結構的負載水平，消除安全隱患，保證廠房工人與設備的安全。

二是部分企業運營狀況優良，需要擴大廠房規模，提升生產水平。大部分企業不會采用重建的方法，大多基于現有廠房進行擴建，現有廠房大都予以保留，導致之前的負載和空間尺度產生改變。擴建后，廠房的跨度必定增大，致使其負載增加，然而鋼結構的強度并未提升，支撐水平降低。要確保擴容后的廠房穩固，人們一定要對鋼結構進行增固，提升其負載水平。

三是盲目增多載荷。在工程建造完成后，部分企業為確保生產活動順利開展，便私自在廠房頂部裝設太陽能設備，以滿足取暖或者供水需求。這種做法會導致廠房荷載變大，引發安全隱患，所以要對鋼結構進行加固。

2 鋼結構廠房加固方式

2.1 擴大構件截面

鋼結構廠房加固階段，擴大構件截面，可以提高建筑自身的穩定性。施工人員要充分考慮現有缺陷和損傷情況，針對需要加固的部位制定有效的加固方案，在原有加固設計的基礎上適當擴大受力構件截面。擴大構件截面是加固鋼結構的一種普遍方式，操作簡單，并且不影響生產，能夠發揮重要作用。

施工人員要注意加固時的凈空限制，使新加固的構件不與其他桿件相沖突;加固設計應適應原有構件的幾何狀態，以利施工;應盡量減少施工工作量。當原有結構鋼材的可焊性較好時，根據具體情況，應盡量考慮采用焊接加固，減少焊接工作量，以減少焊接應力的影響，避免焊接變形。施工時應避免仰焊，要加大構件截面，盡量使被加固構件截面的形心軸位置不變，以減少偏心所產生的彎矩。當偏心值超過規定值，在復核加固截面時，應考慮偏心的影響;加固后的截面在構造上要考慮防腐要求，避免形成易于積灰的坑槽而引起銹蝕;加大截面的加固構造時，不應過多削弱原有構件的承載能力。

2.2 單個鋼結構構件加固

單個鋼結構構件加固方法有焊接鋼板、粘貼鋼板和碳纖維復合板、改變截面形狀（如將工字形截面改為箱形截面或格構型截面）、外包混凝土加強（主要應用于鋼柱）等技術。在實際應用于建筑時，設計人員要充分考慮實際截面形式和技術存在的缺點，確保加固達到預期效果。設計時要考慮施工難易程度、施工周期長短、施工費用高低，充分對比設計方案，篩選最佳方案。在實際工程中，可以搭配應用多種加固技術方法，保證鋼結構建筑的加固效果。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

以某工業廠房為例，其采用鋼結構框架，梁柱節點采用栓焊混合連接。該廠房共有5層，其中，1層的高度為4.5 m，2～4層為4.2 m，5層為3.0 m;占地面積約為670 m2，建筑面積共計3 854 m2。該廠房施工期間編制完善的施工方案，落實安全技術交底，重點對焊接質量進行控制。施工完成后，業主委托有資質的第三方檢測機構對廠房施工質量進行檢驗。驗收結果顯示，部分梁柱的節點處存在焊接缺陷，如焊接不充分、焊接不滿、出現焊縫等。為了保證廠房后期使用的安全性，必須進行加固處理。

3.2 原鋼結構廠房荷載的復核

3.2.1 荷載類型。該廠房樓面的恒荷載是4.2 kN/m2，活荷載是12.3 kN/m2，該地風壓是0.56 kN/m2;抗震設防烈度是7度，框架的抗震等級是4級;鋼材強度為Q345，混凝土強度等級為C35。通過分析整個鋼結構的特點，本文最終確定荷載組合是：1.2恒荷載+1.4活荷載+0.6風壓，地震帶來的影響不大。

3.2.2 復核計算。下面對鋼結構框架的荷載組合進行校核，結果顯示，主要指標的復核結果均處于標準范圍內，廠房整體安全性滿足設計要求。因此，不需要對鋼構件進行拆除，只需要對梁柱節點進行加固即可。

3.3 加固方案

對梁柱節點進行加固時，可以采用的方案有修復焊縫、使用梁翼緣貼板和梁端加腋板等。但是，這些加固方案施工時需要拆除局部樓板，對原來的焊縫進行清理，然后重新焊接。考慮到該廠房已經完工，采用這些加固方案，不僅增加了施工難度，還可能導致鋼構件出現新損傷，加固成本較高，因此不宜采用[2]。結合鋼結構廠房的實際情況，從安全性、技術性、經濟性三個方面考慮，經業主、施工企業、第三方檢測機構共同商討，最終決定采用角隅撐加固方案，在梁柱節點附近設置支撐，提高鋼結構框架的整體穩定性。

3.4 加固計算

角隅撐的材質是工字鋼，尺寸為200 mm×200 mm×8 mm×12 mm。加固時，位置是梁距離柱中心線的水平間距為1 200 mm、柱距離梁中心線的垂直間距為1 200 mm，按照45°設置角隅撐。以H型鋼柱和梁體為例，其連接方式如圖1所示。

具體加固施工時，清理原焊縫，重新焊接，或不進行處理，對加固節點的受力性能影響不大，因此不再進行清理和修復。其中，加固類型包括兩種：一種是鉸接，另一種是剛接，加固后的計算結果如表1所示。分析可知，加固后結構應力、位移均明顯減小，各項指標滿足規范要求。

3.5 節點分析

為了分析角隅撐和梁柱節點的受力情況，避免存在薄弱部位，下面選擇其中最不利的部位作為對象，對梁柱節點的荷載情況進行模擬分析[3]。結合本工程的實際情況，最不利鋼結構框架是1層5軸，最不利荷載節點是5軸和B軸的連接處。利用PKPM分析軟件和ABAQUS連接器，構件受力采用板單元，鋼材本構關系采用理想彈性模型，缺陷因子為1/1 000，分別按照鉸接、剛接建立模型。其中，建立鉸接模型時利用鉸接功能模塊;建立剛接模型時利用綁定約束功能模塊。要按照構件的內力比例緩慢加載，直至鋼結構屈服。

結果顯示，梁柱節點鉸接時，施加荷載達到設計值，可見節點、梁端的應力是均勻分布的且整體數值較小，最大的應力位于角隅撐外側、主梁的翼緣處。施加荷載為設計值的1.2倍時，節點和梁端區域的應力分布基本沒有變化，高應力區向跨中發展，主梁的翼緣處出現屈服。施加荷載為設計值的1.3倍時，節點處的應力分布基本沒有變化，角隅撐下方柱的應力增大，應力最大值出現在主梁的腹板區域，呈現出屈服狀態。

梁柱節點剛接時，施加荷載達到設計值，節點處的應力小、分布均勻，梁端翼緣的應力高于鉸接情況，最大應力位于角隅撐外側、主梁的翼緣處。施加荷載為設計值的1.2倍時，梁翼緣部位的應力明顯增大，但沒有屈服。施加荷載為設計值的1.3倍時，角隅撐下方柱的應力繼續增大，應力最大值出現在主梁的腹板區域，呈現出屈服狀態。

總結來看，梁柱鉸接節點和剛接節點的屈服過程基本一致，鋼構件的承載力相近;最大應力均出現在角隅撐外側、主梁的翼緣處;隨著荷載加大，均是梁構件先出現屈服，滿足強柱弱梁、強節點弱構件的要求[4-5]。

4 結語

整體來說，鋼結構在建筑項目中起著不可忽視的作用，其強度、穩定性與建筑工程的建造質量有十分密切的關聯。因此，施工單位在建筑項目施工過程中要依據實際情況改進鋼結構設計方案，提升鋼結構設計水平，增強鋼結構的穩固性。本文以實踐項目為例，論述了角隅撐加固方案，以期為同類工程提供有效參考。研究表明，加固后，鋼結構位移顯著減小，結構應力顯著降低，各指標都達到設計要求。

參考文獻：

[1]馬東亞，金剛.某砌體結構加固設計[J].建筑結構，2019（2）：711-715.

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[5]李坤偉，胡軍.某鋼結構廠房樁基礎加固設計與施工控制[J].重慶建筑，2020（2）：52-55.