輕鋼結構屋面加固分析與應用

王志剛，蔡冰榕，余漢謀，趙崇銳

(廣東石油化工學院，廣東 茂名 525000)

0 前 言

隨著我國工業的轉型發展，輕型鋼結構體系被廣泛應用于各類工業建筑結構中。其中，最為普遍的是輕型門式鋼架結構，主要應用于廠房、展館、體育館、大農貿市場及臨建等。

輕型鋼結構是以壓型板材為主的輕型板材作為圍護結構的門式鋼架輕型結構。由于其擁有建造成本低、施工周期短、所用材料少等諸多優點。隨著輕型鋼結構形式的高速發展與廣泛應用，同時國家在新農村建設方面的投入加大，輕型鋼結構也應用于畜牧養殖場等農畜牧業經濟中。和其他類型房屋相比，門式鋼架輕鋼結構房屋屋面具有面積大、遮擋少、日照良好、易于太陽能電池板支架安裝這四大優勢，因而成為目前大規模太陽能電池板安裝場所的最佳選擇。

1 結構特點

輕型門式鋼架結構主要由鋼架、屋面、墻面及支撐構件組成。其結構有以下特點。

1.1 質量輕

采用門式剛架輕鋼結構用鋼量比為采用鋼筋混凝土結構總量輕90%，比采用普通鋼結構重量輕60%。

1.2 施工周期短

輕型門式鋼架結構屬于裝配式建筑結構，只需要進行基礎施工，其主要構件及配件均來自于工廠的預先制作，運輸到現場后只需要進行安裝即可。

1.3 柱網布置靈活

因輕型門式鋼架結構的圍護體系采用金屬壓型鋼板，只需要按照要求和用鋼量最省的原則確定柱距的大小即可，不需要考慮模數對柱網布置的影響。

2 加固設計

由于待加固工業廠房一般都在正常使用，若因施工而減產或停產，造成的損失比結構加固費用高出許多。因此，加固設計方案應盡可能保證原有工業廠房正常使用功能不受或盡量少受影響。

由于需要加固的廠房結構在加固前已經是在承受荷載的狀態，加固施工時可能會因焊接起原有的構件而產生局部的應力集中或焊接變形。因此，加固設計應盡可能減少焊接量，盡可能消除焊接變形和焊接殘余應力以免對原結構產生不利影響。

加固施工一般都為高空作業且施工操作面較小、施工難度較大，應盡量選取加固工程量相對較小，且便于施工的設計方案。

在加固施工前，要做好結構施工安全充分的安全評估，對于安全評估較低的結構需要做好安全措施，避免二次事故的發生。

3 加固方法

3.1 構件加固

鋼結構加固方法主要有:增加截面法；改變結構計算簡圖法；減輕荷載法；增加構件、支撐和加勁肋法；增強連接等五種。鋼結構加固方法的選擇主要影響因素有：施工方法、工程條件、施工周期和預期效果等。同時，加固件與原結構要能夠工作協調，并且不過多地損傷原結構和產生過大的附加變形。

3.1.1 按受力方式分類進行加固

1)不改變結構計算簡圖的加固。結合構件現狀，如已有缺陷和損傷而選擇合適的截面形式，以提高構件的強度和剛度。例如：在平面外穩定應力控制的鋼架柱，可在鋼架柱腹板對稱位置上焊接T型鋼，以提高其平面外穩定性；在平面內穩定應力控制的鋼架柱或鋼架梁，可在鋼架柱或梁的受壓側腹板位置上焊接T型鋼板，以提高其平面內穩定性。同時采用加焊T形鋼方案則意味著更大的焊接量和更大的焊接變形風險，對此應特別慎重考慮。

2)改變結構計算簡圖的加固。結合構件現狀，有效選取改變荷載分布情況、修改傳力途徑、改變節點性質和邊界條件、增設附加桿件和支撐、加載預應力等措施對結構進行加固，以提高構件的強度和剛度。例如：增加中間支座或將簡支結構端部連接為連續結構(對檁條的加固)；當廠房上部凈空足夠時，可以原屋面梁作為桁架上弦桿，另外增設桁架下弦桿和腹桿組成平面桁架。

3.1.2 按施工流程分類進行加固

1)在負荷狀態下加固。該加固方法構造簡單,施工便利性高，造價性價比高，且屬于加固工作量最小也最簡單的方法之一，但為保證結構的安全應要求原結構的承載力具有超過20%的安全余量。在負荷狀態下增加較小焊縫厚度時，原有焊縫的承載能力去掉焊接熱影響區長度承載力后，應大于外荷載作用產生的內力，并且構件應沒有嚴重的損傷。例如：將單片薄壁鋼板與C型鋼檁條的開口側卷邊用自攻螺釘連接，對提高構件的極限承載力及抗彎剛度具有明顯作用；同時，綴板的間距與抗彎剛度及極限承載力有關聯影響較大。

2)卸載加固。結構損傷較嚴重或構件及接頭的應力很高，或者補強施工不得不臨時削弱承受很大內力的構構件及連接時，需要暫時減輕其負荷時，采用卸載回固法。對如吊車梁類以主要承受移動荷載為主的結構，限制其移動荷載與部分卸載相當。對于某些無法在原有結構上進行補強的構件，應及時更換或返廠補強。此時，應將結構構件荷載全部卸載。

3.2 連接件加固

鋼結構主要連接方法分別有焊接、鉚接、螺栓連接。鋼結構連接加固可主要采用焊接、摩擦型高強度螺栓連接及兩者混合連接。連接件的加固問題主要有三種情況。

1)原有連接承載能力不足需要加固的情況。最直接有效的辦法就是將鉚釘連接變為螺栓連接，同時增加螺栓強度、數量。

2)原構件承載能力不足需要加固的情況。主要加固方案是將加固件與原有構件通過可靠的連接形成統一整體。

3)節點連接強度不足需要加固的情況。一般采取的方法有增強節點板、增加連接件數量和強度、增加獨立焊縫等。

連接加固方案還應結合結構需要、加固原因、受力情況、構件現狀及施工條件等多種原因，同時考慮原有的連接方式選擇適合的方案。

4 實 例

4.1 工程概況

本工程為廣東省江門市華睦五金有限公司-車間五鋼結構廠房，結構形式為屋面輕鋼門式鋼架。該廠房屋面擬加建光伏發電系統，屋面將增加不超過0.15 kN/m2的光伏恒荷載，為確保加建光伏發電系統后廠房的結構安全，需要對原廠房進行承載力復核驗算。

4.2 結構承載力計算

4.2.1 材料性能

該廠房鋼梁、鋼柱采用Q235B鋼，檁條采用Q345B鋼，其他構件均采用Q235B。

4.2.2 屋面荷載

根據原圖紙設計使用荷載及太陽能光伏系統重量數據，按現行規范對該結構進行加建計算，主要參數見表1。

表1 鋼結構-車間五鋼結構安裝光伏系統后荷載變化

4.2.3 結構計算程序

結構計算程序使用的是中國建筑設計研究院編制的《PKPM系列STS20010V3.2版》。

4.2.4 結構計算

依據原設計荷載及統計增加的太陽能發電統荷載進行計算。計算結果如下。

1)GJ-1鋼架：①剛架最大應力比為0.95<1.0，應力計算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/248<1/180，撓度計算滿足要求；

2)GJ-2鋼架:①剛架最大應力比為0.94<1.0，應力計算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/248<1/180，撓度計算滿足要求；

3)GJ-3鋼架:①剛架最大應力比為0.82<1.0，應力計算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/600<1/180，撓度計算滿足要求；

4)GJ-4鋼架:①剛架最大應力比為0.70<1.0，應力計算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/699<1/180，撓度計算滿足要求；

5)GJ-6鋼架:①剛架最大應力比為0.94<1.0，應力計算滿足要求；②剛架最大撓度(恒+活)1/289<1/180，撓度計算滿足要求；

6)屋面簡支檁條計算：

(1)中間跨：(C220×75×20×2.2，8.5 m)

強度計算最大應力(N/mm2)：233.510≤300

風吸力作用下翼緣受壓穩定最大應力(N/mm2)：135.882≤300

撓度驗算，最大撓度(mm)：40.991<42.500

(2)中間跨：(C220×75×20×2.0，6.75 m)

強度計算最大應力(N/mm2)：112.974≤300

風吸力作用下翼緣受壓穩定最大應力(N/mm2)：82.034≤300

撓度驗算，最大撓度(mm)：16.204≤33.750

(3)中間跨：(2C200×70×20×2.2(背對背)，10.3 m)

強度計算最大應力(N/mm2)：131.888 ≤300

風吸力作用下翼緣受壓穩定最大應力(N/mm2)：114.388≤300

撓度驗算，最大撓度(mm)：48.351≤51.500

(4)中間跨：(C200×70×20×2.0，6.75 m)

強度計算最大應力(N/mm2)：181.150≤300

風吸力作用下翼緣受壓穩定最大應力(N/mm2)：139.412≤300

撓度驗算，最大撓度(mm)：26.873≤33.750

4.3 加固施工方案

本項目的加固方案主要采取加固檁條節點(如圖1所示)、在外側翼緣粘帖鋼板、鋼架柱腹板對稱位置上焊接T型鋼及鋼架柱的受壓側腹板位置上焊接T型鋼板的方法對結構進行加固。

4.4 結 論

經驗算，布置太陽能光伏系統重量不大于0.15 kN/m2，輕鋼屋面加固(見圖1)后，承載滿足規范要求，廠房屋面檁條承載力滿足要求。故該輕鋼屋面可布置太陽能光伏系統。

圖1 加固檁條節點

5 結 語

本文基于輕鋼結構門式鋼架加固實例，介紹了輕鋼結構及檁條的常見破壞形式及其加固措施。通過實例說明，在安裝太陽板之前對屋面檁條及主鋼架進行鑒定并做加固處理是十分必要的。避免盲目對太陽板進行安裝而產生的安全隱患，提高建筑結構的安全性，保證了生產安全。

[ID:012926]