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1、超期服役钢结构厂房检测与加固技术 段留省 苏明周 董振平 李慧 长安大学建筑工程学院 西安建筑科技大学土木工程学院 成都基准方中建筑设计有限公司西安分公司 摘 要： 旧工业厂房改变使用功能后继续服役, 须先进行可靠性鉴定并采取必要的加固措施, 以某超期服役钢结构工业厂房为例, 对加固技术进行探讨。通过现场检测、试验分析和简化模型计算对主体结构的使用性能和安全性进行评定, 对存在缺陷的构件采取加固措施。对钢排架结构增设水平支撑、垂直支撑体系, 以提高结构的整体性;通过增大钢屋架腹杆截面, 来提高其承载能力;采用改进的防护措施保护钢柱脚, 满足建筑和结构的要求。厂房加固工程已完成并投入使用, 效果
2、良好。关键词： 旧工业厂房; 钢屋架; 安全性; 水平支撑体系; 钢柱脚; 作者简介：段留省, 男, 1985 年出生, 博士, 工程师。Email:收稿日期：2017-05-21基金：国家自然科学基金资助项目 (51178382) REINFORCEMENT TECHNIQUES AND DETECTION OF EXTENDED SERVICE STEEL STRUCTURE PLANTDUAN Liusheng SU Mingzhou DONG Zhenping LI Hui School of Civil Engineering, Changan University; School
3、of Civil Engineering, Xian Univ.of Arch. Chengdu Jizhun Fangzhong Architectural Design Co.Ltd, Xian Branch; Abstract： To ensure the structure safety, it is necessary to take reliability assessment and reinforcement measures before the old industrial plant continue to serve as function changed buildi
4、ng. Taking an extended service steel structure industrial plant as an example, the reinforcement techniques were studied. The serviceability and safety were assessed by field inspection, experimental analysis and calculation of simplified model. Reinforcements were taken to the detected structure me
5、mbers. The integrity of the steel roof truss was improved by addition of the horizontal bracing and vertical bracing systems. The bearing capacity of webs was strengthened by enlarging section. To meet the requirements of architecture and structure design, steel column bases were restored by the imp
6、roved protective measures. The reinforcement project had been completed and put in use, and it had good effect.Keyword： old industrial plant; steel roof truss; safety; horizontal bracing systems; steel column base; Received： 2017-05-21近年来, 旧工业厂房改造与再利用的项目逐渐增多1-2, 其中一些钢结构厂房已经超过原设计的使用年限。若改变厂房的使用功能使之继续服
7、役, 必须进行安全性、可靠性的鉴定, 采取有效措施, 消除结构的安全隐患后方可投入使用3-5。本文以某单层钢结构厂房的改造工程为例, 根据 GB 501442008工业建筑可靠性鉴定标准、GB 500232009建筑抗震鉴定标准和抗震加固经验, 提出可行的厂房加固方案, 并应用于实际工程, 为同类工程提供参考。1 工程概况某钢结构旧工业厂房建于 20 世纪 30 年代, 原为纺织厂车间, 整体呈矩形, 普通砖砌墙体, 机制红瓦屋面。厂房为 5 连跨排架结构体系, 工字形钢柱, 锯齿形钢屋架, 柱距 6.7 m, 跨度 7.3 m (边跨 9 m) , 柱顶标高为 3.600 m, 见图1。该厂
8、房所在场地的地震烈度为 8 度, 地震加速度 0.20g, 地震分组为一组, 类场地。基本风压为 0.35 k N/m, 地面粗糙度按 B 类考虑。2 现场检测2.1 基本尺寸采用激光测距仪、钢卷尺和游标卡尺对厂房的柱距、跨度、标高和主要构件尺寸进行实测。主要构件截面尺寸测量结果见表 1。图 1 平面布置 下载原图a平面;b剖面。1水槽;2瓦屋面;3木屋面板;4钢屋架;5风管。2.2 连接节点经现场检测, 厂房的钢屋架与钢柱的连接节点、钢柱脚与靴板、钢屋架各杆件之间均采用铆钉连接, 见图 2a、图 2b。通过木锤敲击法检查节点连接情况, 未发现铆钉松动脱落、连接板翘曲、孔壁挤压破坏等现象, 连
9、接质量较好。钢屋架与墙体连接处杆件及节点出现漆皮老化、锈蚀现象。表 1 构件截面尺寸 下载原表 2.3 损伤及缺陷厂房钢排架两端为砖墙承重, 中部采用钢柱承重, 协同工作能力较差, 不利于抗震;厂房无柱间支撑, 无水平支撑和垂直支撑, 仅在钢柱上端沿纵向布置一道连系梁, 未形成完整、有效的支撑系统9;在、轴线各有一道砖墙, 基本满足横向抗侧力要求。厂房主体结构、围护结构均出现破损, 钢排架体系中柱脚锈蚀普遍, 见图 2c;锈层最厚约 5 mm, 钢屋架下弦油漆老化脱落;墙体开裂渗水, 侧天窗钢框架锈蚀严重。图 2 连接节点 下载原图a柱顶连接节点;b铆钉拼接节点;c柱脚节点。钢柱倾斜测量时,
10、取每根钢柱取上、中、下 3 个部位, 倾斜量见表 2。可知, 厂房整体朝西南方向倾斜, 其中向南最大倾斜量为 23 mm, 倾斜率为 6.39;向西最大倾斜量为 21 mm, 倾斜率为 5.83。部分钢柱处于双向弯曲受力状态, 严重影响结构的承载力和稳定性。钢屋架下弦挠度实测值见表 3, 可满足正常使用要求。2.4 地基基础经现场开挖检测, 排架钢柱采用柱下独立基础, 墙体采用条形基础, 检测时未发现不均匀沉降现象, 推定地基基础无明显静载缺陷。2.5 材性试验由于厂房原始资料缺失, 需采用现场取样、实验室测定的方法推定钢材的强度等级10, 材性试验结果见表 4。由表可知, 该厂房钢材强度等级
11、可推定为Q235 级。3 安全性鉴定跟据现场检测结果和改造后的使用荷载, 结合现行规范对结构进行安全性鉴定。采用中国建筑科学研究院的 PKPM-STS 计算程序对厂房进行承载力校核。表 2 钢柱倾斜量 下载原表 表 3 钢屋架下弦挠度 下载原表 表 4 型钢材料性能 下载原表 结构分析时, 取轴线钢排架作为计算单元, 钢排架端部承重墙简化为铰支座, 见图 3。计算时考虑钢柱倾斜产生的附加弯矩和锈蚀导致的截面削弱。钢排架的 R/ ( 0S) 比值见表 5。其中 R 为抗力; 0为结构重要性系数;S 为应力。由表 5 可知, 钢屋架的个别杆件应力比超限, 主要是端斜杆;个别腹板长细比超限, 最大为
12、 215。图 3 计算简图 下载原图表 5 钢排架的 R/ (0S) 下载原表 图 4 腹杆加固 下载原图4 加固方法4.1 钢屋架对钢屋架中应力比超限的杆件采用增大断面的方法进行加固, 在原有杆件同一位置增设相同截面角钢, 将原杆件由单角钢变为双角钢, 见图 4。新旧角钢采用螺栓连接, 新角钢端部预先钻孔, 以避开原节点的铆钉, 保证两角钢在节点处贴实。4.2 支撑体系厂房现改为工业展览馆, 要求尽可能地保留原钢结构工业厂房的建筑结构特点, 但为提高结构的整体性, 支撑体系也必须增加。为解决这一矛盾, 可通过改变新增构件的截面形式, 将新旧结构区别开来, 既能保留原厂房的结构特点又可提高结构
13、的安全性。水平支撑及柱间支撑全部采用圆钢管, 支撑布置见图 5。图 5 支撑布置 下载原图水平支撑与钢屋架间采用螺栓连接, 可以利用原系杆与钢屋架的铆钉连接节点。连接时将铆钉取出, 换成高强螺栓, 通过新增节点板将水平支撑与钢屋架连接起来, 节点做法见图 6。图 6 水平支撑连接节点 下载原图a节点详图;bAA 剖面;cBB 剖面。1圆形节点板下十字肋板;2原有钢系杆;3新增圆形节点板直径 140 mm;4原有铆钉位置换成高强螺栓;5水平支撑 SC;6新增高强螺栓;7圆形节点板上焊接矩形板带厚度等于铆钉突出高度;8圆形节点板板下焊十字肋板平行于相应水平支撑钢管;9原钢屋架下弦杆;10高强螺栓替
14、代原系杆端部铆钉;11原下弦双角钢;12新增圆形节点板紧贴矩形板带下表面;13螺栓连接;14矩形板带板。在厂房轴线之间增设柱间支撑, 提高结构的纵向刚度和整体性;在屋架端部设置垂直支撑, 位于厂房的中部和两端, 节点做法与水平支撑类似, 采用高强螺栓连接。4.3 墙体与屋面板采用钢丝网水泥砂浆加固墙体, 竖向钢筋伸入基础内锚固, 横向、竖向钢筋间距 600 mm, 拉结钢筋呈梅花状布置。原屋面为无檩体系, 为减轻自重, 并满足防火要求, 现改为轻钢屋面, 建筑要求檩条高度不能超过 120 mm, 采用薄壁矩形钢管檩条 B120803.2, 按单跨简支布置, 檩条通过檩托与原钢屋架连接, 檩条两
15、端用泡沫堵头, 防止内壁受到侵蚀。4.4 柱脚为防止钢柱脚受潮锈蚀, 一般做法是用 50100 mm 厚混凝土包柱脚, 高出地面100150 mm。甲方指出这种做法影响使用和美观, 要求更换。经讨论, 采用 20 mm 厚环氧砂浆包柱脚, 外贴不锈钢钢板, 见图 7。这种新型钢柱脚防护措施既达到了防腐防潮的目的, 又不影响使用, 效果较好。图 7 柱脚防护做法 下载原图1钢排架柱;2不锈钢包边;3环氧砂浆灌注;4室内地面标高;5钢柱底面;6基础宽度。5 结论通过对超期服役钢结构工业厂房的现场检测、安全性评定和加固处理, 得出以下结论:1) 钢结构旧工业厂房改造前应对主要受力构件的材料性能进行实
16、测, 根据试验结果, 评定钢材的等级。2) 加固时尽量减少对原构件的损坏, 充分利用原有孔位, 采用高强螺栓连接。3) 新增支撑系统与原结构保持协调, 可以采用外观美观的圆钢管支撑体系。4) 新型柱脚防护做法已用于工程实践, 外形美观, 保护效果较好。参考文献1李慧民, 田卫, 闫瑞琦.旧工业建筑 (群) 再生利用评价指标体系构建J.西安建筑科技大学学报 (自然科学版) , 2013, 45 (6) :772-777. 2武乾, 武晓然, 师小龙.旧工业厂房改造再利用的投资不确定性分析:以某钢厂改造为创意产业园为例J.建筑经济, 2014, 35 (9) :130-132. 3齐放, 丰定国.超期服役钢结构厂房鉴定中应注意的若干问题J.工业建筑, 2001, 31
