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 劉  君  戴  斐

 （中冶節(jié)能環(huán)保有限責(zé)任公司，北京  100088）

摘  要：結(jié)合某工程實(shí)例介紹鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面管道托架加固設(shè)計(jì)的基本原理及根據(jù)各種實(shí)際情況可采取的不同加固方式。在原荷載和加大荷載兩種工況下，利用PKPM軟件進(jìn)行內(nèi)力分析和構(gòu)件截面及節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)驗(yàn)算。采用增大構(gòu)件截面的方法可以在滿(mǎn)足“不停產(chǎn)”的條件下加固補(bǔ)強(qiáng)管道托架。

關(guān)鍵詞：鋼托架；增大構(gòu)件截面；補(bǔ)強(qiáng)驗(yàn)算；加固 DOI:10. 13206/j.gjg201603019

 隨著工業(yè)的發(fā)展，已建工業(yè)廠房的加固項(xiàng)目越來(lái)越多。加固施工時(shí)不能影響工業(yè)廠房的正常使用是加固施工的特殊要求。因此，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)某廠房屋面構(gòu)件的加固方案、構(gòu)件的受力分析、加固構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算進(jìn)行分析。

1  項(xiàng)目背景

 該工程為山東某煉鋼廠300 t熱悶主廠房，廠房總長(zhǎng)為197 m，高為25 m（檐口高度），廠房為2跨，其跨度分別為32，27 m，柱距為1 1，13，15 m。廠房采用鋼排結(jié)構(gòu)，鋼柱為格構(gòu)下柱+焊接H型鋼上柱；屋架為梯形鋼屋架，帶天窗；屋面檁條采用軋制及焊接H型鋼+組合角鋼隅撐，形成豎向支撐體系。

 工藝要求在15一17軸屋面上方跨越三條集塵管道，在屋面屋脊及檐口附近設(shè)置管道支架，管道直徑為2.6 m，局部屋面及管道布置見(jiàn)圖1。管道支架安裝在鋼托架上，鋼托架為桁架，托架端部上、下弦與屋架的上、下弦節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。

2加固改造要求及范圍

 現(xiàn)有鋼托架管托上豎向荷載由原設(shè)計(jì)50 k N改為320 k N，導(dǎo)致鋼托架承載力不能滿(mǎn)足要求，需進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。由于廠房及屋面上部管道已投入使用，改造加固不得影響生產(chǎn)。

 加固補(bǔ)強(qiáng)范圍為：15一17軸屋架，A軸向B軸偏移2.3 m處鋼托架，C軸向B軸偏移2.8 m處鋼托架，位置見(jiàn)圖2。

3改造加固方案的選擇

 原構(gòu)件材質(zhì)采用Q345B，加固構(gòu)件材質(zhì)與原構(gòu)件相同。

3.1  置換托架方案

 對(duì)于原結(jié)構(gòu)鋼托架承載力不足的情況，可采用新增鋼托架替換原有鋼托架來(lái)提高鋼托架承載力的方法，此方案雖然加固效果好但需將原管道、托架及局部屋面卸荷拆除，由于不能影響生產(chǎn)，故本方案不適用于本加固工程。

3.2鋼托架下新增桁架方案

 采用鋼托架下增加桁架的方式提高托架承載能力，但由于下部空間有限，新增的托架影響橋式吊車(chē)的正常運(yùn)行；而且由于荷載變化很大，原托架構(gòu)件實(shí)際應(yīng)力已是承載應(yīng)力的2~3倍，即使增加下部桁架也不能滿(mǎn)足受力要求，故此方案也不適用于本加固工程。

3.3  增大托架構(gòu)件截面及節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)方案

 在不影響生產(chǎn)及使用空間的前提下采用加大構(gòu)件截面的方式提高鋼托架的承載力。在采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件加大截面加固補(bǔ)強(qiáng)連接方式時(shí)，通常用焊縫連接補(bǔ)強(qiáng)（熱加工）及摩擦型高強(qiáng)螺栓連接補(bǔ)強(qiáng)（冷加工）兩種方式。冷加工補(bǔ)強(qiáng)方案優(yōu)點(diǎn)是負(fù)荷狀態(tài)下在節(jié)點(diǎn)板的焊縫以外鉆孔，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的擾動(dòng)。其難度在于高空鉆孔精度難以保證，作業(yè)危險(xiǎn)性大，冷熱混合連接工藝要求很高，在構(gòu)件受力后，桿件與連接之間的平整度無(wú)法控制。因此采用對(duì)原托架焊縫連接方式增大構(gòu)件截面加固補(bǔ)強(qiáng)方案。

4加固方案的設(shè)計(jì)

4.1  計(jì)算模型

 本工程所需加固的托架有兩處，且原設(shè)計(jì)兩托架桿件相同，加固方式一致，計(jì)算模型如圖3、圖4所示。加固前，荷載包括管道自重及風(fēng)荷載；加固后，荷載包括管道自重荷載、管道內(nèi)部積灰荷載及風(fēng)荷載。

4.2  內(nèi)力分析

 此管道為收集管道，管道荷載包括管道本身自重及管道內(nèi)部積灰荷載，其中管道自重產(chǎn)生的管道支座荷載標(biāo)準(zhǔn)值約為110 k N，積灰荷載產(chǎn)生的支座荷載標(biāo)準(zhǔn)值約為220 k N;由于此管道剛投入使用，因此只考慮管道自重產(chǎn)生的原構(gòu)件的內(nèi)力。

 首先對(duì)鋼屋架桿件采用PKPM中STS模塊進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算得到的桿件內(nèi)力如表1所示。

根據(jù)CECS 77: 96《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》中構(gòu)件未加固時(shí)名義應(yīng)力為：

 因此可判斷出工程中鋼托架增大截面加固無(wú)需進(jìn)行卸荷后施工。

 根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》算式N／（φA）≤f驗(yàn)算桿件是否滿(mǎn)足要求。

如5號(hào)桿件，根據(jù)GB 50017-2003得出穩(wěn)定系

 鋼托架中承載力不足的桿件有3、4、5、8、1 1、

13、15、16、17、18號(hào)桿件，需進(jìn)行加固處理。

4.2.1受壓構(gòu)件的設(shè)計(jì)

 加固角鋼的材質(zhì)與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)相同，即材料的強(qiáng)度等級(jí)f y為310 M Pa，根據(jù)CECS 77: 96中的算式進(jìn)行承載力驗(yàn)算，滿(mǎn)足要求即可：

式中：A n為構(gòu)件加固后的截面面積；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ηn為軸心受力加固構(gòu)件的強(qiáng)度降低系數(shù)；N為加固時(shí)和加固后構(gòu)件所受總軸心壓力；φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

以5號(hào)桿件為例，軸心受力加固構(gòu)件強(qiáng)度降低

 補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)件選用2L90 x10十字組合對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行加固，Ix= 764 x 104mm4；Iy1= 408×104 mm4，查GB 50017-2003得出穩(wěn)定系數(shù)φ=0.751。根據(jù)式(2)可得：155 M Pa<0.72×320=223.2 M Pa滿(mǎn)足要求。

 桁架腹桿的加固截面見(jiàn)圖5，下弦桿加固截面見(jiàn)圖6。

4.2.2受拉構(gòu)件的設(shè)計(jì)

 選擇加固角鋼型號(hào)，根據(jù)CECS 77：96中計(jì)算式：

式中：f為截面中最低強(qiáng)度級(jí)別鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿(mǎn)足要求即可。

4.2.3節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

 根據(jù)原有鋼托架各桿件原有構(gòu)造形式、尺寸及構(gòu)件型號(hào)建模計(jì)算各桿件承載力情況，設(shè)計(jì)新增角鋼的連接位置及方式。新增補(bǔ)強(qiáng)角鋼設(shè)置于原角鋼承載力不足的角鋼位置且對(duì)稱(chēng)布置，緊貼原構(gòu)件，為便于施工，合理設(shè)計(jì)新增角鋼與原構(gòu)件距離便于焊接。在節(jié)點(diǎn)板處，根據(jù)計(jì)算得出新增角鋼所需焊縫長(zhǎng)度，對(duì)原鋼屋架尺寸偏小的節(jié)點(diǎn)板加大，同時(shí)新增的雙面角鋼間設(shè)置填板，新增填板與原填板相互錯(cuò)開(kāi)；使新增加角鋼與原構(gòu)件共同作用，受力明確。主要節(jié)點(diǎn)做法見(jiàn)圖7。

5  結(jié)束語(yǔ)

 采用增大構(gòu)件截面的方法可以滿(mǎn)足廠房正常使用的前提下加固補(bǔ)強(qiáng)管道鋼托架。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)廠房屋面構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及使用要求，選擇合理加固方法，以滿(mǎn)足使用需求。補(bǔ)強(qiáng)后的鋼托架能夠滿(mǎn)足管道荷載增大的承載力要求。