某石材库及展厅钢网架结构分析与加固

牛庆芳

1 结构概况

某石材库现有结构为二层建筑，长79.2 m，宽29.4 m，总高度为10.82 m，总建筑面积为4864.5 m2。建筑平面轴线A-K/1-8区域为石材库部分，二层结构，一层采用钢筋混凝土框架结构，层高4.8 m(局部5.40 m)，二层采用钢网架结构，层高 4.50 m(局部3.90 m);轴线B-J/9-11区域为展厅部分，单层钢网架结构，层高8.40 m。该结构基础形式为柱下独立基础及墙下条形基础，结构抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为Ⅱ类，结构安全等级为二级，框架结构抗震等级均为三级，设计使用年限为50年。本文对该结构进行检测，并进行结构分析，针对该结构设计缺陷提出加固方案。图1，图2为该建筑南立面外观及建筑内部情况照片。

图1 建筑南立面外观

图2 建筑内部情况（局部）

2 石材库现有结构若干问题分析

2.1 结构各部分抗侧刚度差异较大

现有结构分为石材库与展厅两大部分，其中石材库部分为两层，上层为钢网架结构，由若干钢柱支承平板网架构成，下层为钢筋混凝土框架结构;展厅部分为单层钢网架结构。

对于石材库部分，结构上下两层为不同材料构成的不同结构体系，经计算单根钢柱(φ273mm×6mm)与单根混凝土柱(500mm×500mm)的抗侧刚度相差10倍以上，且钢柱之间缺乏柱间支撑、刚性系杆等连接构造措施，结构整体抗侧刚度较差，这表明上部钢结构的抗侧刚度远小于下部混凝土框架，二者差异较大。结构抗侧刚度上下差异过大，将使地震荷载作用下导致结构受力的不利响应。对于水平风荷载，底部混凝土框架结构层高较低，侧向刚度较大，风荷载作用下结构侧移很小，可忽略不计。而对上部钢结构，其抗侧刚度偏小，则必须考虑水平风荷载的作用，并且主要是控制风荷载作用下的钢柱柱顶位移。

展厅部分为单层钢网架结构，钢柱高度较大。该结构的抗侧刚度与石材库部分整体结构的抗侧刚度相比亦有较大差异。水平地震作用下，二者水平振动不同步，可能导致屋面结构的破坏。另外也应控制其在风荷载作用下的柱顶水平侧移值。

2.2 网架屋面均布活荷载取值偏小

原设计中网架屋面均布活荷载标准值取0.3 kN/m2。而依据GB 50009-2001建筑结构荷载规范第4.3.1条，对于不上人的屋面，屋面均布活荷载标准值应取0.5 kN/m2。又按照GB 50009-2001第4.3.1条的注1:“不上人的屋面，当施工或维修荷载较大时，应按实际情况采用;对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作0.2 kN/m2的增减”。GB 50017-2003钢结构设计规范第3.2.1条注:“对支承轻屋面的构件或结构(檩条，屋架，框架等)，当仅有一个可变荷载且受荷水平投影面积超过60 m2时，屋面均布活荷载应取为0.3 kN/m2”，而网架节点受荷水平投影面积不大可能超过60 m2，则不应取0.3 kN/m2。

参考国外设计取值，网架屋面均布活荷载取0.5 kN/m2，未有取0.3 kN/m2者，我国网架也普遍采用0.5 kN/m2，因此，本文认为原设计中网架不上人屋面均布活荷载取0.3 kN/m2偏小。

2.3 钢柱柱脚连接构造措施不足

根据原设计中，钢柱柱脚采用平板式柱脚，柱脚底板与混凝土柱纵筋穿孔塞焊，钢管与底板焊接，并沿对角线设置四道加劲肋，这种柱脚构造形式仅能承受不大的力矩，难以确保钢柱与下部混凝土柱头完全刚接，不能完全符合设计计算中将钢柱柱脚认为固定端的假定。因此，目前结构在设计水平荷载(风载及地震作用)的作用下，钢柱柱顶会产生比设计计算结果更大的水平侧移，显示侧向刚度不足。

3 钢网架结构计算分析

根据前述分析，本文重点针对两个钢网架结构，即石材库网架(轴线A-K/1-8)及展厅网架(轴线B-J/9-11)进行计算。

3.1 计算假定及荷载取值

考虑到网架与钢柱构成整体建筑，二者变形协调，因此将网架与钢柱整体建模计算。钢柱采用梁单元，柱脚假定为固定端，柱头与网架节点为铰接连接，网架各杆件采用杆单元，节点为铰接连接。由于石材库网架整体结构相对于其下的混凝土框架结构，抗侧刚度差异较大，故将混凝土框架结构视为上部钢结构的基础，计算时仅建立上部钢结构整体模型。如前述，屋面均布活荷载标准值按照0.3 kN/m2及0.5 kN/m2分别进行验算。荷载组合工况共计12种。

3.2 主要计算结论

屋面均布活荷载取0.3 kN/m2时，石材库网架结构钢柱侧移、网架下弦节点挠度、各类构件现有截面规格均可满足正常使用及极限承载力要求;屋面均布活荷载取0.5 kN/m2时，石材库网架结构钢柱侧移、网架下弦节点挠度可满足正常使用要求;除6根上弦杆件存在超限(最大应力比达到1.11)外，其余各类构(杆)件均可满足极限承载力要求。

屋面均布活荷载分别取0.3 kN/m2，0.5 kN/m2时，展厅网架结构钢柱侧移、网架下弦节点挠度、各类构件现有截面规格均可满足正常使用及极限承载力要求。

应注意的是:1)在理论计算中柱脚认定为固定端，而现有结构柱脚构造措施难以达到理论计算中的刚性连接的要求，因此宜对结构柱脚进行加强，使其成为刚性柱脚。2)当屋面均布活荷载取0.5 kN/m2时，石材库网架及展厅网架上弦部分受压杆件的稳定应力比达到0.95 ～0.99，已非常接近限值1.0。

4 结构加固处理措施

4.1 石材库网架钢结构

对于石材库网架结构，为改善其钢柱柱脚构造薄弱的现状，可对所有钢柱柱脚(24根)采用外包混凝土的方法进行加强。为改善该结构整体抗侧刚度较小的现状，应在钢柱间增加钢支撑，并在钢柱柱顶用刚性系杆进行连接。石材库网架结构加固具体做法如下。

4.1.1 柱脚外包混凝土

从原混凝土框架柱头起，外包混凝土柱高度为600mm，采用C30细石混凝土，纵筋为12Φ20，箍筋为 φ8@100，纵筋在底部弯成直角与端板焊接，采用角焊缝，焊角高度不小于10mm，直角平直段不小于60mm，外包混凝土范围内钢管壁上加焊抗剪栓钉，间距为100。施工及质量验收按有关混凝土规范进行。

图3 柱间增加支撑及刚性系杆位置

4.1.2 增设钢支撑及刚性系杆

钢支撑及刚性系杆增加位置见图3，支撑采用人字支撑。图3中黑实线位置表示增加钢支撑，黑虚线位置表示增加刚性系杆，钢支撑及刚性系杆形式及规格见图3，钢材采用Q235，各杆件之间的连接构造施工应符合有关钢结构规范的要求。

4.2 展厅网架钢结构

对于展厅网架，考虑到其钢柱柱脚同基础浇筑在一起，且地面采用水磨石刚性地面，可认为展厅钢结构柱脚情况优于石材库钢结构柱脚;展厅网架支承钢柱外侧另立有钢柱，且二者之间有横向联系，一定程度上提高了网架钢结构的整体抗侧刚度。因此，对展厅网架柱脚可不进行加固，但在无联系的钢柱之间应增加水平刚性系杆及支撑，图4中黑线处为上下十字支撑，黑虚线处为刚性系杆。支撑形式见图5，刚性系杆、支撑规格及节点连接做法同石材库网架。

图4 展厅网架支撑与刚性系杆位置

图5 支撑形式

5 结论及建议

本文提出的加固处理措施主要从提高结构抗侧移刚度和空间作用加固考虑，鉴于原设计中网架不上人屋面均布活荷载取值偏小，本文建议对现有结构进行装修时，宜采用轻质装修材料，网架下弦可不吊顶，以尽量减小屋面荷载。在结构使用中遇到大雪大风天气及维修更换屋面围护结构时，应特别注意网架结构安全。

［1］ GB 50009-2001，建筑结构荷载规范［S］.

［2］ GB 50017-2003，钢结构设计规范［S］.

［3］ JGJ 7-91，网架结构设计与施工规程［S］.

［4］ 谢 东，张树勋.某网架结构安全性检测与评价［J］.山西建筑，2010，36(17):46-47.