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1、门式钢架钢结构厂房加固设计摘要：门式刚架轻型房屋钢结构的受力模型与实际受力情况比较接近，因而能够在设计中充分利用材料的承载特性，同时其安全储备相对较低，如果在使用过程中外部荷 载或作用发生变化，则钢架很容易处于不安全状态而必须进行加固。关键词：门式刚架；钢结构；加固设计随着近些年我国经济发展，门式刚架钢结构厂房在我国使用越来越广泛。这种结构厂房有突出的优点，施口速度快，用钢量较少（单位面积）、造价相对较低，受力情况与计算模型较接近，在设计中能充分利用钢材的物理性能，但安全储备较低，如果在使用过程中，出现超载或支撑杆件有缺欠时结构变形较大，可能超过规范规定的限值，同时工作应力也可能超过钢材的强度
2、设计值，在此情况下，为了保证安全使用，需经加固处理才能达到使用要求，而且工程费用相对较低。 下面结合一个工程实例，介绍对钢架加固的方法。 1 工程的基本情况 葫芦岛工业区“H”型钢构件厂，采用轻钢结构厂房，厂房沿纵向分为两部分，一部分有夹层，下部为生产车间，上部为办公用房；另一部分为生产车间。平面立面见图1、图2。 厂房占地：54mX120m，由14榀27m2跨门式刚架组成。每两榀刚架间距9m、10m不等，厂房檐高8m，屋顶标高9.2m，厂房其中的一跨带夹层。该工程不设吊车。柱与梁截面采用焊接工字钢。下层夹层柱出于装修方便采用箱形截面，钢材采用Q235。该工程屋面的设计活荷载为0.4KN/m2
3、，恒荷载为0.4KN/m2，雪荷载0.4KN/m2，楼面恒荷载3.5KN/m2，活荷载2.0KN/m2。葫芦岛地区基本风压0.6KN/m2，按6度抗震设防。图1所示为结构平面，根据以上计算条件，采用PKPM进行计算，计算模型以平面结构10m柱距的单榀刚架为准。 荷载组合为： （1）1.2恒0.851.4（活+风）； （2）1.2恒+1.4活 （3）1.2恒+1.4活；（4）1.2恒+1.3地震 实际计算表明，结构受第一种荷载组合控制，根据上述的设计要求，取10m柱距钢架为控制计算，计算出的截面结果见表1 表1应力和变形计算结果 应力及变形边柱中柱A梁段B梁段C梁段最大应力(Mpa)291.4-
4、127.1-204.6-158.1-272.8最大柱顶位移(mm)3.33.5 最大挠度(mm) 78.2 注：柱的应力为考虑整体稳定后的计算结果。 图1 1-柱间支撑 ；2-无夹层；3-有夹层 从图2可以看出，刚架的最大应力为291.4Mpa310Mpa，发生在第三段梁上。最大挠度为78.2/27000=1/345，满足最大挠度1/200的要求，所设计的截面是安全且十分经济。 该工程在2006年8月建成，在竣工验收中发现： （1）由于实际使用的需要，建设单位擅自改变原设计厂房用途，将原设计H型钢构件生产厂房改为冶炼综合利用厂房，将水管线、汽管线、电缆等吊挂到纵向刚架顶端。该段刚架上新增加荷载
5、6.0KN/m，相当于增加该段梁上集中荷载恒荷载1.26.0L，其中L相当于两榀刚架中线的间距，这样做，严重超出设计条件。在验算中发现，大多数梁的应力和变形仍在规范许可范围内，但10 m柱距的刚架应力超出设计值。这时验算结果如表2所列。从表2可以看出，梁的强度已严重不能满足安全要求。但是刚度尚可。所以必须对它进行强度加固。 （2）建设单位为了办公层美观，在办公室装饰时，将三个柱间支撑杆件断面改小，并取消了连接的节点板，引起夹层所有装饰面板开裂，连洗手间墙面也出现大量的垂直、或斜向裂缝。考虑到结构发生这种情况完全是由于荷载增加所致，而不是由于设计错误或施工质量问题，并且发生问题的范围很小，为了节
6、约资金，决定对该项工程进行加固处理。 表2应力和变形验算结果 应力及变形边柱中柱A梁段B梁段C梁段最大应力（Mpa）-381.3-241.8-272.8-1263.5-356.5最大柱顶位移（mm）3.33.5 最大挠度（mm） 116.7 2 工程加固设计 2.1加固方法的选择 常见的加固方法有以下几种：1、改变结构的计算模型（计算图形），或者缩小梁的有效跨度。2、加大构件截面；3、连接节点加固；4、改变荷载的传递路径或卸载，减少原杆件受力，从而减小杆件变形。 2.2加固方案 本工程是由于使用荷载大于设计值，同时部分支撑杆件减弱，造成部分刚架实际应力超过钢材的设计强度，同时也造成了较大变形。
7、由于增大了使用荷载所引起的应力过大，又无法改变荷载传递路径情况下，可以考虑增大截面法加以解决。但由于此时已处于试生产状态，特别是10m柱距下边是变电室，变电设备处于工作状态，不许停电。这样上部结构不允许动火（包括电焊焊接和火焰切孔）。而工作面（在吊顶以上部分）只有0.9m，所以选择采用粘钢板和螺栓相结合的方法进行加固。对于工字钢采取增大截面进行加固，一般情况下都是加大上下翼缘，这样可以最大限度地降低原构件的应力，充分发挥加固钢材的作用，通常采用下两种方法，如图3 表3应力和变形验算结果 应力及变形边柱中柱A梁段B梁段C梁段最大应力（Mpa）-235.6-266.6-282.1-244.9-31
8、3.1最大柱顶位移（mm）2.83.0 最大挠度(mm) 102.7 这三种方式各有优缺点，图3a加固法施工方便，但要求翼缘上下不能有别的构件与之相连。图3b不会增加梁高，由于本工程加固时屋面已铺装完毕，而且加固工期短，不可能把屋面板拆下来，因而本工程最后采用图C加固方式，优点是既能加高梁高度，又对屋面不破坏。 加固采用的建筑结构胶的剪切强度为30KN/mm2，设计中考虑其耐久性，取3.0 KN/mm2，据此设计两侧粘钢距离为2m。 由于建设单位私自改变厂房的使用用途，部分柱间支撑减弱，导致刚架整体变形过大，则必须将柱间支撑按原设计恢复，但可变换一种较为美观的形式。 2.3加固计算 （1）卸荷
9、下的补强加固 在原位置上将构件完全卸载或采用临时支承结构承担后增加的荷载，进行补强加固，构件的承载能力按补强加固后的截面进行计算。其计算方法与新结构计算方法相同。 （2）负荷状态下补强或加固 应先根据加固时的实际荷载值，按强度和稳定性验算原结构承载力，通常当承载能力富裕20%以上时，才允许在负荷状态下进行加固，加固方法如下 ： k f 式中S考虑荷载分项系数后的荷载效应； W加固后构件的截面几何特性； 加固后按整个截面计算的构件稳定系数，当强度计算时=1 f钢材的强度设计值； k加固拆减系数，其值取0.9. I后=I原+(I加固+ S加固b2) 式中I后加固后截面惯性矩； I原加固前截面惯性矩
10、； I加固加固钢板本身的截面惯性矩 S加固钢板的截面面积 b加固截面到原结构面积质心的距离。 最后使用这种加固后截面几何参数重新计算截面的承载力。需要注意的是，对于加固后的结构应满足规范规定的安全储备。 对于本工程，从表2可知，只需要将靠近中柱的2m段梁采用图3b的方法上下各粘贴一定厚度的钢板，采用上面介绍的方法计算即可。本工程最后采用10mm厚的钢板，加固后计算结果见表3 表3加固后计算结果 应力及变形边柱中柱A梁段B梁段C梁段最大应力(Mpa)-187.6-45.7-148.5-110.6-191.1最大柱顶位移(mm)5.375.10 加固后的最大应力191Mpa310 Mpa，挠度65
11、.7/25000=1/380，可见加固效果很好。 2.4加固施工 （1）粘钢法施工过程 酸洗油漆 用砂纸打磨至出现金属光泽 上胶 粘钢板 （2）恢复支撑系统 经过分析，内部墙体的开裂为支撑减弱所致，后与各方面协商恢复前面减弱的几空支撑，改为较为美观的圆钢管加球节点形式，然后再将开裂裂缝修复，使用后证明，不再开裂。 3 结论 （1）、本次钢架加固共用钢材400kg，工期仅用半个月，省去了更换整个钢架的资金和时间，效果很显著。从这个工程实例可以看出，对于门式钢架的加固，粘钢板是一种很好办法。它具有节省资金和时间、对生产影响小等优点。而且，它的计算方法也很简单，是一种很值得推广的结构加固方法。加固后，经过使用证明，效果良好。 （2）、轻钢结构受力计算模型与实际受力比较吻合，结构承受超载能力较差，设计中一定要把使用荷载弄清楚，特别有悬挂（吊）荷载的情况要高度重视，在施工和使用过程中，不允许随意吊挂设备荷载，也不允许随意超载。 （3）、按平面结构计算的轻钢结构，结构的纵向刚度取决纵向支撑体系，不能随意减弱或取消。 【参考文献】 【1】CECS77:96钢结构加固技术规范 【2】GB50017-2003钢结构设计规范 【3】CECS102:2002门式钢架轻质房屋钢结构技术规程
