某輕型鋼結(jié)構(gòu)屋面檁條的綜合加固設(shè)計(jì)

摘要：本工程普通檁條采用冷彎薄壁C型鋼，支承玻璃采光天窗的部位的檁條采用熱軋槽鋼。由于施工期間荷載的改變，加之連接不牢靠，使檁條在施工過(guò)程中出現(xiàn)了較大的撓度，并伴隨著明顯的扭轉(zhuǎn)。本文針對(duì)不同部位的檁條分別采用增設(shè)拉桿、增強(qiáng)連接、增大截面等方法進(jìn)行加固，以滿足正常使用要求。

關(guān)鍵詞：檁條加固 荷載改變 增設(shè)拉桿 增強(qiáng)連接 增大截面

一、工程概況

該工程為西安某一百貨商店，占地約734㎡。結(jié)構(gòu)體系由六榀單跨剛架組成，沿縱向長(zhǎng)27.4m，跨度為26.8m，剛架屋脊處標(biāo)高為16.88m。為了與周圍仿古建筑群古樸典雅的藝術(shù)風(fēng)格協(xié)調(diào)，該商店外部的門(mén)架設(shè)計(jì)成雙坡的仿古坡屋面建筑，屋面坡度為30°。而且在坡屋面上對(duì)稱地設(shè)計(jì)有玻璃采光天窗。原設(shè)計(jì)檁條選用200×70×20×2實(shí)腹式冷彎薄壁C型鋼作檁條；支承采光窗的檁條采用[20a槽鋼截面。在施工階段，甲方將原設(shè)計(jì)的壓型鋼板屋面改為掛瓦屋面結(jié)構(gòu)，并將采光窗改為突出的老虎窗，大大增加了屋面荷載。加之施工單位施工粗糙，屋面板的栓孔直徑大于連接螺栓5㎜，造成屋面板與檁條連接不可靠，不能阻止檁條的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)。致使屋面檁條承載力不足，撓度過(guò)大，并發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)。

二、加固方案的選擇與設(shè)計(jì)

（一）加固方案選擇

常見(jiàn)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法有以下三種：

1.減輕荷載：在能滿足預(yù)定使用功能的前提下，可通過(guò)簡(jiǎn)化附加結(jié)構(gòu)或者采用輕質(zhì)材料代替原有材料等方法來(lái)減輕結(jié)構(gòu)荷載。

2.改變結(jié)構(gòu)計(jì)算圖形：通過(guò)改變荷載分布狀況、傳力途徑、節(jié)點(diǎn)性質(zhì)和邊界條件，增設(shè)附加桿件和支撐、施加預(yù)應(yīng)力、考慮空間協(xié)同工作等措施來(lái)改變結(jié)構(gòu)的計(jì)算圖形，調(diào)整原結(jié)構(gòu)內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行內(nèi)力重分配，達(dá)到加固的目的 。

3.加大構(gòu)件截面和增強(qiáng)連接強(qiáng)度：在不影響使用空間的前提下采用加大構(gòu)件截面的方式提高構(gòu)件的承載力，如加大截面高度、加厚翼緣板、變工形截面為箱形截面等方式。

在本例中，由于檁條的間距小，拆除更換檁條工程量大且浪費(fèi)，檁條已經(jīng)發(fā)生了一定的變形無(wú)法采用擴(kuò)大截面，故采用在檁條1/3跨處增設(shè)兩道拉條加固。老虎窗下檁條可先拆卸，給槽鋼截面對(duì)拼一個(gè)槽鋼形成箱型截面，以增加其強(qiáng)度和剛度。

（二）加固方案設(shè)計(jì)

該結(jié)構(gòu)中檁條的最大跨度為6.2m，加固方案以這類檁條為例。根據(jù)設(shè)計(jì)資料：屋面恒載85.58㎏/㎡（0.839KN/㎡），活載0.5 KN/㎡，基本雪壓0.3 KN/㎡，基本風(fēng)壓0.35 KN/㎡。一般檁條設(shè)計(jì)應(yīng)采用以下幾種荷載組合：

1.1.2恒載+1.4施工活載

2.1.2恒載+1.4雪載或1.2恒載+0.9×（1.4雪載+1.4懸掛荷載）

3. 1.0恒載+1.4風(fēng)吸力

本工程只取用1.2恒載+1.4施工活載這種荷載組合方式，撓度計(jì)算時(shí)采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值。經(jīng)計(jì)算，加固前檁條跨中最大彎矩分別為Mx=7.10KN·m，My=4.10KN·m ，由此按強(qiáng)度求得б=666.2MPα，按穩(wěn)定求得б=996.3 MPα，都遠(yuǎn)大于Q235鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度215 MPα。尚未破壞是實(shí)際中屋面板對(duì)檁條的平面外長(zhǎng)度還有一定的限制，鋼材的極限承載力遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

檁條采用在跨中三分點(diǎn)處加拉條，以減小其側(cè)向計(jì)算長(zhǎng)度。加固后檁條跨中最大彎矩分別為Mx=7.10 KN·m ，My=0.09 KN·m ，由此按強(qiáng)度求得б=189.9 MPα，按穩(wěn)定求得б=191.1MPα，都小于Q235鋼材的設(shè)計(jì)強(qiáng)度215。表明桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和撓度都控制在允許范圍內(nèi)。

老虎窗下的四根檁條焊接在一起形成一個(gè)小型的整體剛架，兩端鉸接。先手算確定出最不利的一榀剛架，再采用SAP建立一個(gè)模型進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。1、2桿件為平行于檁條的桿件，3、4桿件為垂直于檁條的桿件。計(jì)算得到的加固前構(gòu)件的最不利組合情況下，1、2桿件的應(yīng)力比甚至達(dá)到3.497、3.722，沿坡向撓度達(dá)到104mm之大，可見(jiàn)1、2桿件壓強(qiáng)比、撓度都超過(guò)規(guī)定范圍；3、4桿件的平面外穩(wěn)定不滿足要求，長(zhǎng)細(xì)比超限。

采用臨時(shí)拆除老虎窗，對(duì)檁條進(jìn)行擴(kuò)大截面加固，1、2構(gòu)件在原截面的基礎(chǔ)上對(duì)拼一個(gè)同規(guī)格的槽鋼，形成一個(gè)類似箱型的截面，加固后的計(jì)算按新結(jié)構(gòu)進(jìn)行；加強(qiáng)該跨檁條連接，使其作為3、4構(gòu)件平面外的支承點(diǎn)，減小其平面外的計(jì)算長(zhǎng)度。加固后1、2桿件的應(yīng)力比減小為0.577、0.664，沿坡向撓度控制為3mm，各構(gòu)件的壓強(qiáng)比、撓度、穩(wěn)定都達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)論

1.由于冷彎薄壁型鋼檁條的強(qiáng)、弱軸力學(xué)性能差異較大，在設(shè)計(jì)中要注意弱軸方向的構(gòu)造，通過(guò)設(shè)置適量的拉條，以減小檁條的平面外計(jì)算長(zhǎng)度，是保證檁條的強(qiáng)度和穩(wěn)定的簡(jiǎn)單有效的措施；

2.根據(jù)實(shí)際施工條件，采用適當(dāng)?shù)男问皆龃髽?gòu)件截面，是一種直接且效果明顯的加固方法；

3.注重施工的細(xì)節(jié)，保證連接的可靠，如檁條與屋面板的牢固連接可以保證檁條的穩(wěn)定。加固中也可以通過(guò)加強(qiáng)構(gòu)件之間的連接來(lái)改變結(jié)構(gòu)的受力形式，達(dá)到內(nèi)力重分布的目的。

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