導語：宴會廳鋼屋架加固設(shè)計與施工研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：通過多個加固方案分析比選，確定采用改變受力路徑法對承載力不足的鋼屋架進行加固，將大幅提高原鋼屋架的承載力和剛度，使得新舊鋼屋架雙向協(xié)同受力以滿足承載力和變形的要求。工程采用改變受力路徑法進行加固，具有一定的代表性，可為今后類似工程的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼屋架；改變受力路徑；變形協(xié)調(diào)；雙向受彎；協(xié)同工作

鋼屋架作為一種常用的大跨度輕型屋面結(jié)構(gòu)形式，具有自重輕、施工速度快、造價低廉等優(yōu)點，在20世紀八九十年代時大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中。隨著時間的推移，很多輕型屋面漏水問題嚴重，尤其是應(yīng)用于民用建筑中的鋼屋架，因承載能力有限難以滿足業(yè)主日益增加的各項荷載要求。對于屋面荷載要求變化較大的鋼屋架結(jié)構(gòu)，采用何種有效方式進行加固，以保證其承載力和變形滿足要求是值得研究的問題。本文以某宴會廳大跨度鋼屋架改造加固工程為例，介紹了改變受力路徑加固設(shè)計方法的應(yīng)用。

1工程概況

本工程建于1992年，總建筑面積為21500m2，主樓19層，裙樓5層，大屋面結(jié)構(gòu)高度為75.10m。本工程結(jié)構(gòu)體系為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，其中大跨度宴會廳位于裙樓第5層，該宴會廳屋面結(jié)構(gòu)采用18.8m跨度的單向鋼屋架，兩榀鋼屋架間距為7.2m，屋面為預制混凝土蓋板結(jié)構(gòu)，宴會廳屋面結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。整個屋面結(jié)構(gòu)系由縱向鋼屋架、橫向3榀支撐、檁條等組成，鋼屋架鉸接于兩端混凝土柱牛腿及剪力墻牛腿上。因大跨度鋼屋架屋面結(jié)構(gòu)在長期使用后，出現(xiàn)屋面嚴重漏水等問題，業(yè)主擬翻新宴會廳的屋面，并重新安裝設(shè)備管道及吊頂。同時業(yè)主要求保證宴會廳鋼屋架交叉節(jié)點處吊掛荷載能滿足宴會功能要求（按集中力1kN設(shè)計）。綜合考慮屋面荷載增加較多，為1kN設(shè)計）。綜合考慮屋面荷載增加較多，為此需對原鋼屋架結(jié)構(gòu)進行復核計算，并根據(jù)計算結(jié)果進行改造加固，保證改造后的鋼屋架屋面能滿足屋面荷載以及懸吊荷載的要求。

2結(jié)構(gòu)分析模型建立

2.1荷載取值。2.1.1豎向荷載。宴會廳屋面結(jié)構(gòu)上的豎向荷載主要有恒荷載和活荷載2種，恒荷載（不包含結(jié)構(gòu)自重）計算如下：屋面建筑做法重量為2.5kN/m2，屋面下設(shè)備管道及吊頂重量為0.7kN/m2，4個下弦節(jié)點處吊掛荷載各為1kN；活荷載計算如下：不上人屋面荷載為0.5kN/m2，本工程所在地區(qū)基本雪壓為0.4kN/m2，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009-2012》［1］考慮高低屋面的影響，確定其屋面積雪分布系數(shù)為2，取本工程雪荷載標準值為0.8kN/m2，不上人屋面荷載與雪荷載不同時考慮。2.1.2地震作用。本工程抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，基本加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，Ⅱ類場地，特征周期為0.35s。鋼結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施按四級抗震要求考慮。2.1.3溫度作用。本工程所在地月平均最高氣溫為36℃，月平均最低氣溫為-4℃，擬定鋼結(jié)構(gòu)合攏溫度為（20±5）℃，故結(jié)構(gòu)最大升溫工況為+21℃，結(jié)構(gòu)最大降溫工況為-29℃。2.2結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面。宴會廳原鋼屋架構(gòu)件截面及材料如圖2和表1所示，鋼屋架構(gòu)件尺寸如圖3所示。2.3計算模型。宴會廳鋼屋架兩端鉸支于主體結(jié)構(gòu)框架柱及剪力墻牛腿上，為簡化計算，原有屋架采用PKPM進行單榀分析，驗算原有鋼屋架是否滿足承載力要求。然后根據(jù)選擇的加固方法，采用三維分析軟件SAP2000對屋面結(jié)構(gòu)進行建模計算分析。

3原鋼屋架核算

對于改造加固工程，需按文獻［2］對原鋼屋架進行驗算分析。原鋼屋架構(gòu)件鋼材為3號鋼，檢測報告表明現(xiàn)場查看鋼屋架構(gòu)件無明顯銹蝕，故不考慮鋼材強度的折減。該鋼屋架驗算時主要考慮的荷載工況［1］如下：①恒荷載+滿跨活荷載；②恒荷載+左半跨活荷載；③恒荷載+右半跨活荷載；④恒荷載+活荷載+地震作用；⑤恒荷載+活荷載+溫度作用。各工況取包絡(luò)值后的計算結(jié)果［2］如表2所示。在恒荷載及活荷載的共同作用下部分桿件的穩(wěn)定應(yīng)力比和強度應(yīng)力比超過1.0，超過規(guī)范限值要求，表明鋼屋架承載能力不滿足所需要求。為滿足業(yè)主要求改造屋面并保證結(jié)構(gòu)的安全，有效提高鋼屋架的承載能力，需要對原鋼屋架結(jié)構(gòu)進行加固處理。

4鋼屋架加固方案的選擇

依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范：CECS77：96》［3］，并結(jié)合本工程的實際情況，在方案比選階段提出3種加固設(shè)計方案：①采用角鋼上粘貼鋼板加大構(gòu)件截面法，增大角鋼強度和剛度，提高構(gòu)件承載力及穩(wěn)定性能；②采用角鋼焊接型鋼加大構(gòu)件截面法，改變構(gòu)件截面類型提高構(gòu)件承載力及穩(wěn)定性能；③改變受力路徑法，利用原屋面的型鋼檁條，在原鋼屋架的垂直方向新增兩榀鋼屋架，使原先的單向受力形式改為雙向受力形式，大大增加結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力［4-9］。采用方案①，加固工作量較少，操作較為方便。但是粘鋼加固時，舊鋼屋架表面除銹后難以打磨，影響粘貼鋼板的效果。而且舊鋼屋架構(gòu)件的截面較小，可粘鋼面積較小，經(jīng)計算對構(gòu)件的實際承載力提高較小。采用方案②，在原有桿件焊接容易引起焊縫應(yīng)力，對原有鋼屋架受力性能產(chǎn)生不利影響。焊接型鋼后，改變了構(gòu)件截面類型，相應(yīng)的會改變構(gòu)件的形心，引起構(gòu)件受力偏心從而產(chǎn)生偏心彎矩，對構(gòu)件的受力狀態(tài)有一定影響。采用方案③，單向受彎的單向鋼屋架轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受彎的雙向鋼屋架，新增鋼屋架與原鋼屋架共同受力，結(jié)構(gòu)承載能力得到較大提高，結(jié)構(gòu)冗余度增加。經(jīng)對比分析，因本工程新增荷載較多，經(jīng)計算分析表明改變受力路徑方案更適用于本次加固改造。采用此方案的主要設(shè)計難點在于新增鋼屋架的支座節(jié)點設(shè)計、新增鋼屋架與原鋼屋架連接節(jié)點設(shè)計。

5鋼屋架加固方案的設(shè)計

新增鋼屋架上弦利用原結(jié)構(gòu)檁條（工字鋼40c），下弦為寬翼緣H型鋼（HW200×200）置于原鋼屋架下弦以下，腹桿采用雙角鋼與上下弦桿連接，雙向鋼屋架布置如圖4所示。采用PKPM分析軟件中STS模塊對原鋼屋架桿件進行內(nèi)力分析，計算得到的桿件內(nèi)力如表1所示。根據(jù)文獻［3］中構(gòu)件未加固時名義應(yīng)力：σ||0max≤0.55fy0式中：s0max為加固前原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大應(yīng)力；fy0為原構(gòu)件鋼材的屈服強度標準值，滿足上式要求可進行不卸荷焊接加固。計算結(jié)果表明對原鋼屋架進行加固改造前，需要卸載原有荷載，為此拆除原有預制混凝土蓋板，重新采用組合樓蓋作為新的屋面板。利用原有工字鋼檁條形成新的主次梁布置，然后澆筑閉口型壓型鋼板。采用SAP2000計算程序?qū)π碌碾p向屋架屋面結(jié)構(gòu)進行分析，分析所得各桿件最大應(yīng)力比值如圖5所示。其中原鋼屋架所有桿件中，應(yīng)力比最大的桿件為端部的斜腹桿，其應(yīng)力比為0.817，滿足規(guī)范要求。新增鋼屋架所有桿件中，應(yīng)力比最大的桿件為端部上弦桿，其應(yīng)力比為0.836，亦滿足規(guī)范要求。

6關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

由于新增鋼屋架需要與原有框架柱和剪力墻進行連接，考慮到大跨度鋼屋架在水平荷載下的滑移，采用新增鋼牛腿作為支座來擱置鋼屋架下弦桿的節(jié)點設(shè)計，節(jié)點詳圖如圖6所示，其中鋼屋架一端在鋼牛腿上固定，另一端采用長螺栓孔保證在鋼牛腿上滑動。為保證新增鋼屋架與原鋼屋架共同協(xié)調(diào)受力，兩個不同方向鋼屋架相交處的節(jié)點設(shè)計必須起到相應(yīng)的作用。新增鋼屋架上弦利用原檁條形成，檁條連接處位于鋼屋架相交處，因此檁條采用節(jié)點板進行剛性連接，并用較大的節(jié)點板與原鋼屋架上弦節(jié)點板焊接。新增鋼屋架下弦置于原鋼屋架下弦以下，托住原鋼屋架，采用較大的節(jié)點板與原鋼屋架下弦節(jié)點焊接，節(jié)點做法如圖7所示。

7新增鋼屋架施工注意事項

⑴加固前，搭設(shè)防墜落支撐措施，拆除原屋面做法及預制板，鋼屋架底根據(jù)現(xiàn)場條件設(shè)置施工支撐。⑵在原鋼屋架下弦各節(jié)點處增設(shè)臨時支撐卸載結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重并適當反拱，根據(jù)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重計算各個千斤頂施加的頂力不超過6kN，保證施工過程中原有鋼構(gòu)件應(yīng)力比不超過0.55［10］。⑶對所有加固節(jié)點進行檢查驗收，所有焊縫按規(guī)范要求進行外觀及探傷檢查。⑷新增鋼屋架與原屋架焊接完成、各支座節(jié)點施工完成并通過驗收后，鋪設(shè)組合樓板并澆筑。⑸待樓板混凝土強度達到100%后，各下弦節(jié)點臨時支柱千斤頂對稱均勻卸載，并放置在原位。觀測鋼屋架的變形，觀測時間不得少于36h，待變形穩(wěn)定后方可完全拆除支撐。

8結(jié)語

⑴對于單向受彎的鋼屋架屋面結(jié)構(gòu)，通過采用改變受力路徑的方式進行加固，將單向受彎鋼屋架轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向受彎鋼屋架，較大地增加了結(jié)構(gòu)剛度和承載力。⑵新舊鋼屋架通過采用可靠的節(jié)點連接及有效的施工措施，可以保證變形協(xié)調(diào)，協(xié)同受力，從而使得結(jié)構(gòu)能滿足承載力和變形的要求。⑶采取有效的施工措施，合理的施工順序是保證新舊鋼屋架共同受力的關(guān)鍵，在加固改造設(shè)計過程中，須考慮施工過程中的各項影響。

作者:陳庚俊 單位:中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司