某門式輕鋼廠房加固及分析

種道坦 李新泰

(山東省建筑科學研究院，山東濟南 250031)

0 引言

門式剛架結構以其用鋼量少、重量輕、造價低、安裝方便、土建施工量小等優點得到了廣泛應用。因該結構施工過程中盲目減小鋼構件截面尺寸、施工質量差，使得該結構類型安全儲備偏低，抵抗風載雪災等偶然荷載的能力較差［1］。應嚴格遵守建設規律，確保結構生命周期內的安全。

1 工程概況

該工程為單層單跨雙坡輕型門式剛架結構，建筑高度約為11．7 m，建筑長度約為78 m，建筑寬度約為30 m，建筑面積約為2 340 m2，屋面為彩鋼板屋面，1．2 m標高以下圍護結構為砌體結構，1．2 m標高以上圍護結構為彩鋼板，柱列間距均為6．0 m，跨度為30．0 m，平面布置示意圖見圖1。基礎采用鋼筋混凝土柱下獨立基礎。該工程屋面橫向水平支撐布置于②軸～③軸間、?軸～?軸間，各為四道“X”形圓鋼;柱間支撐分別布置于縱向柱列上的②軸～③軸間、?軸～?軸間;屋面檁條共布置22道，檁條間距為1．5 m，檁條中點處采用一道拉條拉結，屋面拉條端部及屋脊處未設置斜拉條及剛性撐桿、局部屋面直拉條未設置;屋面系桿僅通長布置于邊柱柱頂，屋脊處未布置屋面剛性系桿;該工程未設置隅撐。墻梁沿高度方向共設置7道，山墻抗風柱間墻面局部增設一道墻梁，墻梁間均未設置墻面拉條。

圖1 某輕鋼廠房平面布置示意圖

2 現場檢測

2．1 鋼柱垂直度

依據CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012版)第8．2．8條規定:“柱軸線垂直度單層柱≤10 m時，允許偏差為10 mm，＞10 m時，允許偏差為20 mm。”現場對該鋼結構車間鋼柱垂直度進行了隨機抽查檢測。結果表明，該工程所檢鋼柱的垂直度符合規范的要求。

2．2 構件尺寸及連接

鋼柱截面尺寸為H500×250 mm×8 mm×10 mm;各段鋼梁截面尺寸為 H(670～350)×175 mm×6 mm×9 mm，H350×175 mm×6 mm×9 mm，H(350～670)×175 mm ×6 mm ×9 mm;抗風柱截面尺寸為H300×150 mm×6 mm×8 mm;屋面水平支撐及柱間支撐截面尺寸為φ20鋼筋;屋面系桿截面尺寸為φ88 mm×3．0 mm鋼管;屋面檁條截面尺寸為 C140×50 mm×20 mm×2．5 mm冷彎薄壁型鋼;屋面拉條截面尺寸為φ10圓鋼。

該工程所檢剛架梁柱及梁梁節點均采用端板豎放的連接形式，梁柱節點由10M20高強螺栓連接，除屋脊處梁梁節點由10M20高強螺栓連接外，其余梁梁節點均由8M20高強螺栓連接;剛架柱腳螺栓為4M24螺栓，抗風柱柱腳螺栓為4M24螺栓，柱腳螺栓螺母數量均為單螺母。

2．3 焊縫質量

依據GB 50205-2001鋼結構工程施工質量驗收規范和GB 11345-1989鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級，現場隨機抽取部分鋼構件的焊縫對其外觀質量進行檢測，焊縫較飽滿，并現場對鋼構件焊縫進行了超聲波探傷隨機抽查檢測［2］。經檢測，現場所檢鋼構件焊縫的內部缺陷評定等級符合質量等級二級的要求。

2．4 高強螺栓施工扭矩檢驗

依據GB 50205-2001鋼結構工程施工質量驗收規范采用扭矩檢驗法對節點連接處高強螺栓的終擰扭矩進行檢測，得到高強螺栓終擰扭矩的實測值。經檢測，所檢節點連接處高強螺栓的終擰扭矩實測值與施工扭矩值的偏差為7．5%～22．4%，部分節點連接處高強螺栓的終擰扭矩不符合GB 50205-2001鋼結構工程施工質量驗收規范附錄B．0．3中規定實測扭矩值與施工扭矩值的偏差在10%以內的要求［3］。

2．5 現場檢測分析

該工程支撐體系布置檢查中發現以下與CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012版)要求不符之處:未設置屋面隅撐;屋面拉條端部及屋脊處未設置斜拉條及剛性撐桿;柱間支撐布置間距為54 m(超出30 m～45 m范圍);屋蓋橫向支撐在第一開間的相應位置未設置剛性系桿;屋脊處未布置屋面剛性系桿;未設置墻面拉條及斜拉條;構件表面涂層局部脫落，鋼構件部分銹蝕。

3 復核驗算

3．1 荷載取值

該工程屋面采用彩色鋼板，屋面恒荷載標準值取0．20 kN/m2，屋面活荷載標準值按CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012 版)中3．2．2 條規定［4］取0．3 kN/m2，屋面檁條活荷載按 0．50 kN/m2，基本風壓按 0．40 kN/m2，基本雪壓按0．30 kN/m2取值。

3．2 驗算條件及結果

依據GB 50011-2010建筑抗震設計規范、GB 50017-2003鋼結構設計規范和CECS 102∶2002門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012版)進行驗算。該工程按7度(地震加速度0．15g)第一組進行抗震設防，場地土類別按Ⅲ類。驗算時結構布置、構件尺寸按實測值，主剛架鋼材牌號按Q235取值，其他鋼材按Q235取值。所有的結構布置按現場實測結果，采用中國建筑科學研究院PKPM鋼結構計算軟件，由計算機形成該工程的結構模型進行驗算。

剛架柱強度效應與抗力之比大于1．0，平面內外穩定效應與抗力之比大于1．0，各段鋼梁強度效應與抗力之比大于1．0，除屋脊兩側兩段鋼梁外，其余梁端平面內外穩定效應與抗力之比大于1．0(見圖2)，抗風柱平面內長細比大于180，檁條強度效應與抗力之比大于1．0、撓度超過規范限值，不滿足CECS 102∶2002(2012版)規范的要求。梁柱節點的螺栓數量不滿足使用和CECS 102∶2002(2012版)的要求。

圖2 剛架柱梁應力比圖（半跨）

4 加固方案選取及分析

因剛架柱梁應力比均大于1．0，抗風柱平面內長細比大于180，檁條強度效應與抗力之比大于1．0、撓度超過規范限值，需要進行加固處理。

對于主體剛架柱，宜采用加大截面法，具體加固方案有:外包混凝土增大截面和外焊鋼板(型鋼)增大截面。由于前者需要在型鋼柱周圍設置模板，澆筑混凝土以增大截面來提高承載能力。但由于施工程序復雜、周期長、邊柱無法架設模板、影響生產等因素，造成該加固方案并非最優方案，并且柱外澆筑混凝土后形成組合構件，結構體系發生變化。外焊鋼板(型鋼)原構件的連接可采用焊接、螺栓連接、鉚接等，該方案有利于施工，施工周期短，可明顯提高鋼柱承載能力及剛度［5］。因鋼柱外焊鋼板需要切割鋼板，現場切割工作量較大，宜采用標準規格的型鋼。

根據式(1)［6］，鋼柱采用外焊接槽鋼［24進行加固處理，其中平面外穩定通過減少鋼柱平面外計算長度處理(在5．0 m標高處沿縱向柱列及山墻柱間設置柱間水平支撐(φ114×3．0鋼管)，端部采用2M16螺栓連接)。

式中:Wnx——加固后整個構件的凈截面抵抗矩;

An1——加固件的凈截面面積;

k——加固折減系數，偏心受力構件及受彎構件取0．9。

剛架梁通常采用增大截面尺寸的方法進行加固，一般采用外焊鋼板或利用鋼板增大梁高的辦法提高梁的承載能力和剛度。前者對于提高梁承載能力和剛度的幅度不如后者明顯，但后者影響房屋凈空而可能受限制。根據式(2)［6］，本工程采用的加固處理方式為:沿鋼梁全長在上翼板下側及下翼板上側的腹板兩側分別與腹板及翼板焊接L75×8角鋼，采用角焊縫，焊角尺寸為6mm(如圖3所示)。

式中:φx——加固后構件在彎矩作用平面內的軸心受壓構件的穩定系數;

βmx——等效彎矩系數;

NEx——加固后構件的歐拉臨界力，NEx= π2E(A0+A1)/λ2x。

屋面檁條的加固可采取檁條間均勻增加一道檁條及檁條槽口對槽口連接的加固方案。前者增設檁條及隅撐后可有效減少檁條受荷面積，隅撐、檁托數量相應增加，后者雙檁條受荷面積、隅撐及檁條數量沒有增加。本工程采用的加固方式為:新增屋面檁條上部用自攻螺釘與屋面板連接，端部采用2M12螺栓與鋼梁檁托板連接，自攻螺釘及檁托板形式與原有自攻螺釘及檁托板相同(見圖4)。

圖3 剛架梁加固方案

圖4 屋面檁條加固方案

梁柱節點及梁梁節點的加固方案可采取栓焊連接、增設加勁肋、更換螺栓直徑等方式。在節點圍焊現場施工不便，焊接質量不容易保證。增設加勁肋受構件截面形狀限制。本工程采用的加固方案為:采用機械擴孔的方式將中和軸以上的所有M20高強螺栓孔擴成M24高強螺栓孔(孔徑為26 mm)，并更換成10．9級M24高強螺栓(見圖5，圖6)。

圖5 梁梁節點處理方案

圖6 梁柱節點處理方案

5 處理措施和建議

針對該工程存在的問題，為保證結構的安全和整體穩定，除上述加固及處理措施外，提出以下處理措施和建議:

1)增設屋面隅撐，對應每道屋面檁條位置均布置一對屋面隅撐，屋面隅撐采用L50×5．0 mm等邊角鋼，端部采用M12螺栓與鋼梁及屋面檁條連接;

2)屋面拉條端部及屋脊處增設斜拉條(φ12圓鋼)及剛性撐桿(φ32 ×3．0 mm 鋼管);

3)柱間支撐應采用φ20圓鋼雙層設置，⑦軸～⑧軸間增設柱間支撐(φ20圓鋼雙層設置)以及屋蓋橫向支撐，以組成幾何不變體系。屋蓋橫向支撐應采用φ20圓鋼，形式同②軸～③軸及?軸～?軸間屋蓋橫向支撐;

4)屋脊處應全長增設屋面剛性系桿，屋蓋橫向支撐間增設屋面剛性系桿，并在第一開間中相對應于第二開間屋蓋橫向支撐位置增設屋面剛性系桿。增設的屋面剛性系桿均采用φ114×3．0 mm鋼管，端部采用2M16螺栓連接;

5)縱向柱列墻梁中點處應設置墻面拉條(φ12圓鋼)，山墻墻梁三分點處應設置墻面拉條(φ12圓鋼)，在最上層墻梁處應設斜拉條(φ12圓鋼)及剛性撐桿(φ32×3．0 mm鋼管);

6)在5．0 m標高處沿縱向柱列及山墻柱間設置柱間水平支撐(φ114×3．0 mm鋼管)，端部采用2M16螺栓連接;

7)柱腳螺栓均增設一個止退螺母，形成雙螺母;

8)重新施擰節點高強螺栓，使之達到驗收規范要求;

9)構件表面涂層脫落及銹蝕處重新涂刷防腐涂料，涂層干漆膜的總厚度應達到125μm。

6 結語

1)門式輕鋼結構抵抗風載雪災等偶然荷載的能力較差，安全儲備低，不應盲目減少構件截面尺寸，給結構帶來安全隱患。

2)施工質量影響門式剛架結構剛度的形成和強弱，應加強施工監管，確保施工過程中及使用階段能形成穩定的空間體系。

3)鋼結構加固方案的選擇應考慮施工程序程度、結構使用限制、經濟性分析、滿足承載能力和剛度要求等方面。本文采用的加固方案已用于多個工程，目前使用狀況良好。

［1］陳友泉，魏潮文．門式剛架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問題釋義［M］．北京:中國建筑工業出版社，2009:142-152．

［2］GB 11345-1989，鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級［S］．

［3］GB 50205-2001，鋼結構工程施工質量驗收規范［S］．

［4］CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程(2012版)［S］．

［5］賀 劍．門式剛架輕鋼結構廠房的鑒定與加固方法研究［D］．上海:同濟大學，2008:52-54．

［6］YB 9257-96，鋼結構檢測評定及加固技術規程［S］．