宴會廳鋼屋架加固設計與施工研究
時間:2022-06-23 11:02:34
導語:宴會廳鋼屋架加固設計與施工研究一文來源于網友上傳,不代表本站觀點,若需要原創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計提供參考。
關鍵詞:鋼屋架;改變受力路徑;變形協調;雙向受彎;協同工作
鋼屋架作為一種常用的大跨度輕型屋面結構形式,具有自重輕、施工速度快、造價低廉等優點,在20世紀八九十年代時大規模應用于工業和民用建筑中。隨著時間的推移,很多輕型屋面漏水問題嚴重,尤其是應用于民用建筑中的鋼屋架,因承載能力有限難以滿足業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構,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計方法的應用。
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,大屋面結構高度為75.10m。本工程結構體系為現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構,其中大跨度宴會廳位于裙樓第5層,該宴會廳屋面結構采用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構,宴會廳屋面結構布置如圖1所示。整個屋面結構系由縱向鋼屋架、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構在長期使用后,出現屋面嚴重漏水等問題,業主擬翻新宴會廳的屋面,并重新安裝設備管道及吊頂。同時業主要求保證宴會廳鋼屋架交叉節點處吊掛荷載能滿足宴會功能要求(按集中力1kN設計)。綜合考慮屋面荷載增加較多,為1kN設計)。綜合考慮屋面荷載增加較多,為此需對原鋼屋架結構進行復核計算,并根據計算結果進行改造加固,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結構分析模型建立
2.1荷載取值。2.1.1豎向荷載。宴會廳屋面結構上的豎向荷載主要有恒荷載和活荷載2種,恒荷載(不包含結構自重)計算如下:屋面建筑做法重量為2.5kN/m2,屋面下設備管道及吊頂重量為0.7kN/m2,4個下弦節點處吊掛荷載各為1kN;活荷載計算如下:不上人屋面荷載為0.5kN/m2,本工程所在地區基本雪壓為0.4kN/m2,根據《建筑結構荷載規范:GB50009-2012》[1]考慮高低屋面的影響,確定其屋面積雪分布系數為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。本工程抗震設防分類為丙類,抗震設防烈度為6度,基本加速度為0.05g,設計地震分組為第一組,Ⅱ類場地,特征周期為0.35s。鋼結構抗震構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℃,擬定鋼結構合攏溫度為(20±5)℃,故結構最大升溫工況為+21℃,結構最大降溫工況為-29℃。2.2結構構件截面。宴會廳原鋼屋架構件截面及材料如圖2和表1所示,鋼屋架構件尺寸如圖3所示。2.3計算模型。宴會廳鋼屋架兩端鉸支于主體結構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。然后根據選擇的加固方法,采用三維分析軟件SAP2000對屋面結構進行建模計算分析。
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。原鋼屋架構件鋼材為3號鋼,檢測報告表明現場查看鋼屋架構件無明顯銹蝕,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。各工況取包絡值后的計算結果[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定應力比和強度應力比超過1.0,超過規范限值要求,表明鋼屋架承載能力不滿足所需要求。為滿足業主要求改造屋面并保證結構的安全,有效提高鋼屋架的承載能力,需要對原鋼屋架結構進行加固處理。
4鋼屋架加固方案的選擇
依據《鋼結構加固技術規范:CECS77:96》[3],并結合本工程的實際情況,在方案比選階段提出3種加固設計方案:①采用角鋼上粘貼鋼板加大構件截面法,增大角鋼強度和剛度,提高構件承載力及穩定性能;②采用角鋼焊接型鋼加大構件截面法,改變構件截面類型提高構件承載力及穩定性能;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,大大增加結構的剛度和承載能力[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。而且舊鋼屋架構件的截面較小,可粘鋼面積較小,經計算對構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力,對原有鋼屋架受力性能產生不利影響。焊接型鋼后,改變了構件截面類型,相應的會改變構件的形心,引起構件受力偏心從而產生偏心彎矩,對構件的受力狀態有一定影響。采用方案③,單向受彎的單向鋼屋架轉變為雙向受彎的雙向鋼屋架,新增鋼屋架與原鋼屋架共同受力,結構承載能力得到較大提高,結構冗余度增加。經對比分析,因本工程新增荷載較多,經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計難點在于新增鋼屋架的支座節點設計、新增鋼屋架與原鋼屋架連接節點設計。
5鋼屋架加固方案的設計
新增鋼屋架上弦利用原結構檁條(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力分析,計算得到的桿件內力如表1所示。根據文獻[3]中構件未加固時名義應力:σ||0max≤0.55fy0式中:s0max為加固前原結構構件的最大應力;fy0為原構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計算程序對新的雙向屋架屋面結構進行分析,分析所得各桿件最大應力比值如圖5所示。其中原鋼屋架所有桿件中,應力比最大的桿件為端部的斜腹桿,其應力比為0.817,滿足規范要求。新增鋼屋架所有桿件中,應力比最大的桿件為端部上弦桿,其應力比為0.836,亦滿足規范要求。
6關鍵節點設計
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點設計,節點詳圖如圖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調受力,兩個不同方向鋼屋架相交處的節點設計必須起到相應的作用。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,因此檁條采用節點板進行剛性連接,并用較大的節點板與原鋼屋架上弦節點板焊接。新增鋼屋架下弦置于原鋼屋架下弦以下,托住原鋼屋架,采用較大的節點板與原鋼屋架下弦節點焊接,節點做法如圖7所示。
7新增鋼屋架施工注意事項
⑴加固前,搭設防墜落支撐措施,拆除原屋面做法及預制板,鋼屋架底根據現場條件設置施工支撐。⑵在原鋼屋架下弦各節點處增設臨時支撐卸載結構構件自重并適當反拱,根據原有結構構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件應力比不超過0.55[10]。⑶對所有加固節點進行檢查驗收,所有焊縫按規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、各支座節點施工完成并通過驗收后,鋪設組合樓板并澆筑。⑸待樓板混凝土強度達到100%后,各下弦節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,待變形穩定后方可完全拆除支撐。
8結語
⑴對于單向受彎的鋼屋架屋面結構,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變為雙向受彎鋼屋架,較大地增加了結構剛度和承載力。⑵新舊鋼屋架通過采用可靠的節點連接及有效的施工措施,可以保證變形協調,協同受力,從而使得結構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鍵,在加固改造設計過程中,須考慮施工過程中的各項影響。
作者:陳庚俊 單位:中鐵第四勘察設計院集團有限公司
- 上一篇:模具設計與制造教改調研探索
- 下一篇:橋梁預應力加固新技術設計分析