基于PKPM大型鋼梁豎向位移精準控制技術研究

王志偉

【摘要】在工業廠房中特別是老舊鋼結構廠房改造，對于大跨度大型型鋼梁的設計和受力分析十分重要，鑒于現有的CAD 等平面計算機輔助設計很難達到精確控制其位移和形變量的要求，因此我們就需要結合PKPM等三維設計建模對現場條件和各部分受力情況進行精確建模和準確分析，已達到精確控制大型鋼梁位移和形變精確控制的目的。

【關鍵詞】鋼梁;形變;位移;受力分析;三維建模

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.100

1、項目背景

攀鋼釩950生產線廠房建于上世紀70年代，結構老化，屋面系統結構復雜、跨距大，改造部位的混凝土屋面板重達110t，且廠房凈空高度低。在保留原廠房混凝土屋架及屋面系統的前提下，完成更換屋面系統托架梁改造難度非常大。同時對于新托架梁由于跨度由原來的6米增加到新的30米，如何對新的大跨度的托架鋼梁進行精確的受力分析，達到精確控制其形變和位移的目的，尤為重要。

2、主要研究的內容及目標

在滿足設計工藝要求的前提下，結合改造過程中的技術難點，經過研究擬采用“大型鋼筋砼屋面體系整體荷載轉移抽柱托梁”施工工藝，該工藝主要包含以下內容。

2.1 大型型鋼梁豎向位移精準控制技術研究

主要包含：混凝土屋面及附加荷載的理論計算、新托架梁的結構形式設計以及新托架梁預起拱高度值設計等。

目標：達到新托架梁的豎向彈性形變的精準控制同時滿足強度要求。

2.2 屋面系統、新舊托架梁之間荷載轉移施工工藝研究

主要包含：研究屋面系統和屋架系統整體荷載平穩轉移工藝，確保原屋架系統的荷載通過“屋面整體荷載轉移裝置”安全、高效地轉移至新增托架、柱上的方法及施工工藝。制定出科學合理施工工藝流程。

目標：通過發揮自身的技術實力，研究出一套“大型鋼筋砼屋面體系抽柱托梁荷載平穩轉移技術研究”成果，并在后續類似工程項目中得到推廣應用。達到優質高效的完成舊廠房改造目的，增強公司的競爭力。

2.3 專用荷載轉移裝置的設計與制作安裝工藝研究

主要包括：荷載轉移裝置的外形設計、材料的選擇、所用設備的選擇、裝置各部件的連接方式、制作方法的研究。設計并制作出適應現場實際條件的專用荷載轉移裝置。

3、工藝研究過程

3.1 托架梁豎向位移精準控制技術研究

為確保新托架梁更換后整個屋面系統不產生較大豎向位移，實現荷載平穩、安全轉移，在施工前設計人員對6塊混凝土屋面板以及相關附屬結構進行詳細的調查和計算，同時利用鋼結構模擬PKPM軟件進行強度校核和豎向位移模擬，均達到控制要求。其中豎向位移最大為20.2mm， 設計人員根據計算機模擬情況，針對性的對托架梁起拱值進行設計，確保了整個屋面系統不產生較大豎向位移，實現了精準控制。

3.2 屋面系統、新舊托架梁之間荷載轉移施工工藝研究

3.2.1 工藝原理設計

屋面系統荷載轉移方法設計原理：利用液壓頂升器帶動2、3號柱柱頂支座連同屋架及屋面系統整體拉起，同時通過自身的橫梁將向上的拉力轉化成對新托架梁向下的壓力，從而實現對新梁的預壓（20mm），當1#柱和新增柱之間的屋架系統、屋面系統和舊托架梁通過液壓頂升器連同節點支座全部提起，并與2#柱、3#柱柱頂脫離接觸時表明以上三個系統重量已全部轉移至新托架梁上，整個過程就需要嚴格控制起升速度，從而實現整合的平穩轉移。

3.2.2 ?荷載轉移過程受力分析

荷載轉移過程舊托架梁連同2#、3#柱頂支座和屋面系統整體受到向上拉力，同時新托架梁受到向下的壓力，由于舊托架梁沒有預先拆除，新托架梁在焊接到1#、新增柱頂支座上后，此時新托架梁、舊托架梁、屋架梁、屋面系統為一個整體，因此荷載轉移過程實際上是該整體結構內部力的轉化，通過計算機模擬分析1#、新增柱柱頂支座和新托架梁兩端沒有豎向位移，新梁中部位移最大，整個屋架及屋面系統基本沒有上升位移，新梁在屋架及屋面系統作用下對預先起拱值抵消，最終產生豎向位移在設計范圍內。整個荷載轉移過程屋面相對位置基本沒有變化（2mm豎向位移），這就對新梁的設計和荷載轉移裝置的設計制作提出較高的水平要求。

3.3 專用荷載轉移裝置的設計與制作工藝研究

（1）荷載轉移裝置下段現場制作安裝

在現有屋架支座的四周搭設操作平臺，然后用20mm鋼板在原有柱頂屋架支座頂板上焊接荷載轉移支架裝置下段。現有鋼屋架和混凝土屋架支腿間有150mm的間隙，先用450×530×20mm的鋼板從縫隙中穿過去安裝在縫隙的正中間。然后用4塊325×530×20mm的鋼板進行加筋。各角焊縫的高度不得低于14mm，焊縫外觀質量不低于三級。

（2）荷載轉移裝置上段、橫梁制作安裝

在荷載轉移支架下段的正上方用20mm的鋼板和工25a型鋼焊接荷載轉移裝置上半段部分。先將20mm鋼板在安裝位置拼成900×220×20×20的H型鋼 ，然后在H鋼上方焊接一根長700mm的25a工字鋼作為荷載轉移裝置的橫梁。

（3）下壓裝置的制作安裝

在現有屋架制作的兩側用工25a型鋼焊接下壓裝置。下壓裝置安裝在現有屋架軸線兩側，與新托架的上弦頂面進行焊接。

（4）平衡梁、平衡千斤頂的制作安裝

平衡梁的作用為：在主千斤頂工作時防止千斤頂頂偏導致橫梁歪斜的安全保護措施，在上部橫梁上增設4根橫梁，采用工25a型鋼長度300mm與主梁對接焊接。平衡千斤頂作用為：在不均勻受力的一側用10t的平衡千斤頂進行調平。使得主梁平穩垂直上升。

結語：

通過本課題研究，形成了一項“整體頂升大型結構廠房屋面系統抽柱換梁施工工藝”成果，實現了投資成本低、施工工期短、安全可靠性高、環保效果好的目的，取得了在復雜現場情況下對老舊結構廠房的更新改造經驗，達到了良好的效果。

參考文獻：

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