某管桁架結構的加固方案

王貞琴，蔣 媛

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 611100)

1 工程概況

某工程位于四川省九寨溝縣城，為1層的開敞大廳，外圍護墻及屋頂均為玻璃幕墻，主體結構由六榀主桁架、四榀次桁架及鋼管柱組成完整的框架結構體系，桁架采用空間三角形管桁架，主要采用的鋼管截面尺寸(外徑×壁厚)有：194 mm×6 mm、168 mm×6 mm、114 mm×4 mm、60 mm×4.5 mm等，鋼管和鋼材均為低合金鋼Q235B，桿件之間均采用相貫焊結節(jié)點形式，焊縫均為全熔透焊縫。

該工程設計于2005年，于2006年投入使用。使用現(xiàn)狀如圖1，原結構見圖2。

業(yè)主根據(jù)使用情況，需要將其規(guī)劃為酒店宴會大堂使用，對其內部空間的使用功能進行調整，并且增加保溫隔熱吊頂，增加中央空調，屋面增加太陽能光伏發(fā)電板。

圖1 使用現(xiàn)狀

圖2 原結構平面圖(單位：mm)

由于以上功能改造，大大增加了原結構的荷載，此次將根據(jù)新的使用功對原結構進行驗算，并對不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的部位進行加固設計。

2 原結構計算復核

2.1 原結構檢測

工程完工后使用至今10多年，部分桿件及連接節(jié)點區(qū)域難免有防火涂層開裂、起殼、剝落，鋼材表面銹蝕等情況，并且已收集到的原設計圖紙是否與現(xiàn)場實際結構一致等，均需要對原結構進行現(xiàn)場鑒定檢測。鑒定檢測包含結構布置、主要鋼件截面尺寸復核，鋼材強度檢測、焊縫質量檢測、涂層厚度檢測、損傷狀況檢測、銹蝕情況檢測等[1]。根據(jù)鑒定檢測報告，進行下一步計算分析。

2.2 結構承載力驗算

根據(jù)現(xiàn)場檢測結果和原設計有關圖紙資料，結合房屋改造后使用荷載情況，采用上海同磊土木工程技術有限公司3D3S結構計算程序，并根據(jù)相關現(xiàn)行國家規(guī)范及標準對結構承載力進行分析驗算。

2.2.1 參數(shù)取值

設計使用壽命：原結構設計使用壽命為50年，至今已使用15年，加固后使用壽命不超過原設計使用壽命，按35年考慮，荷載等參數(shù)取值按設計基準期50年取值。

抗震設防相關參數(shù)：該地區(qū)抗震設防烈度為8度0.2 g，設計地震分組第三組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.45 s。根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]5.1.1，屋架跨度小于24 m，計算水平地震作用，不計豎向地震作用?？拐鹪O防類別標準設防類，結構阻尼比0.3，結構抗震等級三級。

根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]，該地區(qū)50年一遇基本風壓0.3 kN/m2，基本雪壓0.4 kN/m2。

根據(jù)改造后裝修及使用功能要求，屋蓋結構附加恒載、活載取值見表1。

表1 屋蓋結構附加恒載、活載取值

2.2.2 整體結構指標

原結構已工作運行15 a，結構在原荷載作用下產生了一定的變形，計算時按原恒載+活載作用下產生的變形值考慮結構整體初始缺陷，主要計算結果如下。

1)結構振型。結構前三階振型如表2所示，分別為X平動、Y平動和扭轉振型。結果表明結構布置合理，抗側剛度合適。

表2 結構前三階振型

2)結構位移。地震和風荷載作用下的層間位移角均能滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)。恒載+活載作用下結構擾度最大值為70 mm，為跨度的1/270，滿足規(guī)范要求1/250。

2.2.3 結構構件驗算

根據(jù)整體計算結果，提取構件內力進行構件承載力驗算。結果表明，由于荷載增加，構件內力加大，主桁架上弦桿件承載力不足，上弦應力比最大為1.30。

根據(jù)以上復核結果，該結構整體抗震性能滿足規(guī)范要求，但局部構件承載力不滿足要求，需要進行結構加固后才能滿足新的使用功能要求。

3 結構加固方案

根據(jù)《鋼結構加固設計標準》(GB 51367—2019)[4]，鋼結構的加固可分為直接加固與間接加固兩類。直接加固宜根據(jù)工程的實際情況選用增大截面加固法、粘貼鋼板加固法和組合加固法。間接加固宜根據(jù)工程的實際情況采用改變結構體系加固法、預應力加固法。

3.1 增加鋼柱支撐

根據(jù)新的使用功能要求和建筑平面布置，在4～5軸之間布置一道內隔墻，可以在墻體處增加鋼柱支撐，減小屋頂桁架的跨度，從而減小桁架構件的內力。此種加固方案屬于改變結構體系的加固設計，需要考慮構件、節(jié)點和支座的內力重分布，并且增加鋼柱基礎。參考原結構的基礎設計，持力層較深，原基底標高為-4.5 m，此方案基礎施工難度較大。不建議選擇此加固方案。

3.2 鋼管截面加大

原結構承載力不滿足的構件是主桁架上弦管，可以考慮直接加大管截面來滿足承載力要求，如圖3所示。方案一采用兩個半圓鋼管對接焊，方案二采用對稱焊接鋼板增大截面法，在腹桿與弦桿連接節(jié)點處，不方便加固處理。且增加此兩種方案主要針對上弦桿施工，需要拆除上部玻璃屋面才能進行焊接施工，施工完之后，再復原屋頂玻璃面，此方案會增加一定的施工作業(yè)量。

圖3 方案示意

3.3 桁架截面加大

除了采用以上直接加大管截面外，還可以考慮增大桁架截面，相當于增加了桁架截面面積且截面高度增加結構剛度增大。如圖4所示，此方案在桁架的下弦進行焊接施工，減少對上部玻璃屋面影響。

圖4 方案三

3.3.1 整體計算結果

通過3D3s軟件進行整體模型計算可以得到，結構恒載+活載下擾度值減小為45 mm，僅為跨度的1/420，所有桿件中應力比也減小為最大0.9，滿足《鋼結構設計標準》(GB 50017—2017)[5]。

3.3.2 節(jié)點分析結果

通過Midas FEA NX軟件進行節(jié)點有限元分析，取腹桿軸力較大節(jié)點進行分析得到圖5～6所示結果，最大應力為174.95 N/mm2，小于鋼材的強度設計值，滿足規(guī)范要求。

圖5 節(jié)點一應力云圖

圖6 節(jié)點二應力云圖

4 結 論

1)對于使用有一定年限的既有建筑加固改造前，建議進行結構體系的現(xiàn)場檢測和鑒定分析，為加固設計提供依據(jù)。

2)對于改造項目首先通過整體分析，確定原結構剛度、變形是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，對于不滿足情況進行加固設計。應采用簡單有效的加固方案，提高結構抗側剛度、提高構件承載能力、減小結構整體變形、控制構件應力。利用有限元軟件對關鍵節(jié)點進行分析可以明確節(jié)點的薄弱部位，并據(jù)此采取針對性的優(yōu)化加固方案，從而保證節(jié)點安全。

3)應考慮施工的便利性，減小對原結構的破壞。在原結構上進行焊接施工前，除去鋼材表面涂層材料，施工完成后，再根據(jù)防腐防火要求進行涂裝。

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