大跨度门式刚架结构屋面钢梁加固设计研究

王　海,王　伟,诸宏博

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建设工程质量检验站有限公司， 浙江 杭州 310012)



大跨度门式刚架结构屋面钢梁加固设计研究

王海1，2,王伟1，2,诸宏博1，2

(1.浙江省建筑科学设计研究院有限公司,浙江 杭州 310012；2.浙江省建设工程质量检验站有限公司， 浙江 杭州 310012)

某59m跨轻型门式刚架厂房由于使用功能改变而导致结构所受荷载增加,在对该厂房刚架进行检测时,发现屋面钢梁截面尺寸及焊缝质量未满足现行相关国家规范要求且与原设计偏差较大,经计算表明无法满足承载力要求。今以此工程为例,对既有门式刚架结构厂房的加固改造设计方案进行研究,通过在原有H型钢梁基础上增加下弦杆、竖向拉杆及斜拉杆,使其成为钢桁架结构体系。杆件连接节点部位采用节点板焊接连接,下弦杆与原有钢柱采用节点板螺栓连接,并采用分段改造的方式。设计方案中由于采用了斜拉杆从而降低了节点区的应力,于是在保证结构体系刚度的同时减小了整体钢桁架的计算高度,分段加固的节点与钢柱连接既满足了与柱的刚性连接,也保证了钢桁架整体承载力和刚度的连续性。

门式刚架；桁架；加固改造

2000年以来随着国家工业化生产的集约化、规模化，使得工业厂房大规模开发建设,其中轻型门式刚架结构厂房由于其结构轻、工期短、现场组装便捷、经济效益明显[1]等优势而得到大规模推广。

经过多年的发展,许多企业由于生产工艺及环保理念的提升逐渐对原有厂房提出了提升改造的要求。由于工业化生产工艺的改变对原有厂房的使用荷载有较大的变化[1],在门式刚架广泛应用的同时,对既有门式刚架厂房的加固和改造提升也逐渐趋向迫切。本文通过某单层门式刚架结构工业厂房加固设计的工程实例,对门式刚架加固方案前后的受力情况进行对比研究,希望对同类的工程有一定的借鉴意义。

1　 工程概况

浙江省衢州市开发区某钢结构厂房,为单层门式刚架结构,长120.42m×宽59.02m,总建筑面积7193.5m2。跨度为18.76、21.5、18.76m,纵向柱距9.0m,边跨柱距6.21m,檐口高度6.9m,屋脊高度9.2m。

边柱采用变截面H型钢,截面尺寸为H300～560×200×6×8,中柱采用等截面H型钢,截面尺寸为H300×200×6×10；钢梁均采用三段H型钢梁拼接,截面尺寸分别为H600～550×150×5×8、H550×150×5×6、H550～680×200×6×10。单层厂房刚架采用Q345B钢,其他均采用Q235B钢,门式刚架平面布置及剖面示意图见图1、图2。

由于业主方拟在屋面铺设太阳能光伏板(1.5kN/m2),根据屋面相同坡度沿屋面铺设,并于屋面以下设置吊顶(0.4kN/m2)。因此,需对该门式刚架结构进行承载力复合。

2　 承载力复合

根据门式刚架结构体系的受力特点,对该厂房的主体刚架及支撑杆件等构造体系建立空间模型进行计算分析[2]。

图1　门式刚架剖面示意图

图2　门式刚架平面布置示意图

2.1基本参数

荷载取值：屋面自重为0.15kN/m2,屋面活荷载(不上人屋面)0.5kN/m2,太阳能光伏板自重为1.5kN/m2,檩条自重为0.05kN/m2,吊顶及吊挂荷载为0.4kN/m2。

根据该房屋所在地的相关资料,该厂房基本风压为0.35kN/m2,雪荷载为0.5kN/m2,地面粗糙系数为B类；地震设防烈度取6度,0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类。

2.2计算分析

采用MIDAS/Civilv6.71进行模型建立,经有限元计算分析,其杆件最大应力比为1.05,其余杆件多数大于0.95,且应力分布不均衡,应力最大处位于单侧屋面钢梁跨中部位,钢梁和钢柱交接处；最大位移为115.0mm,接近于规范规定的L/180,即119mm；檩条挠度值约为1/129,不满足规范中1/200的限值要求。该门式刚架的应力比分布及位移见图3、图4。

2.3结论及处理意见

根据分析结果,荷载增加后使得该厂房的门式刚架结构体系承载力及变形量控制不能满足《钢结构设计规范(GB50017—2003)》[3]的相关要求。鉴于此,为了满足使用需要及房屋安全性要求,应对其采取加固补强措施。

图3　门式刚架应力比分布图

图4　门式刚架位移量示意图

3　 加固方案

本工程采用对屋面结构增设钢桁架的方式进行加固,并增设水平支撑和垂直支撑。设计相关参数同本文2.1节,工程安全等级为二级,加固设计使用年限为50年。

材料选用：钢梁、主桁架、相关节点板所用钢板及热轧型钢Q345B,系杆、水平支撑及相关节点板所用钢板及热轧型钢Q235B。

螺栓连接、焊接连接等制作与安装均应满足现行国家相关标准要求。

3.1标准门式刚架加固措施

设计采取在原门式刚架(GJ1)屋面梁下增设下弦杆,以原H型钢梁作为上弦杆共同作用。桁架端部高度为1.346m,屋脊高度为2.142m；边跨由边柱起分别于2.65、4.61、3.0、3.0、3.0m处设置竖向拉杆至中柱1,中间跨由中柱1至中柱2分别于3.0、3.0、3.0、1.75m(屋脊)处设置竖向拉杆,对称布置；各杆件连接节点均采用8mm厚节点板焊接连接,桁架布置见图5。

3.2山墙位置门式刚架加固措施

设计采取在原门式刚架(GJ2)屋面梁下增加折线形钢桁架。桁架端部距离边柱顶1.9m,跨中顶部距屋脊高度为2.472m,桁架高度1.728m；边跨斜拉杆节点,由边柱起分别位于3.215、1.5、1.5、1.5、1.54m至抗风柱1,第二跨斜拉杆节点,由抗风柱1起分别位于1.75、1.5、1.5、1.5、1.5、1.75m至抗风柱2,中间跨由抗风柱2起分别位于1.875、1.75、1.75、1.75、1.75、1.875m至中柱,在抗风柱1与抗风柱2之间增加柱间支撑,对称布置；各杆件连接节点均采用8mm厚节点板焊接连接,节点板与钢柱连接采用M20高强螺栓连接,桁架布置及节点构造见图6、图7。

图5　标准桁架杆件布设示意图

4　对比分析

采用MIDAS/Civilv6.71有限元软件分析,建立门式刚架结构体系加固后的有限元模型,荷载及荷载组合情况与原设计相同[1]。

图6　桁架杆件布设示意图

图7　梁柱节点构造示意图

为体现门式刚架厂房加固后承载力的影响和加固方案满足刚度要求,对加固方案前后门式刚架各个部位的最大应力比进行了比较,并对门式刚架的位移量进行比较分析。表1为门式刚架各个部位的最大应力比,表2为门式刚架最大位移量。

表1　门式刚架梁柱应力比

表2　门式刚架最大位移

根据《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(CECS 102∶2002)》[4](2012年版)中的相关规定,门式刚架斜梁竖向挠度不得超过跨度的L/180[4]。则跨度为18.76 m的刚架梁挠度不得大于104 mm,跨度为21.5 m的刚架梁挠度不得大于119 mm[4]。

通过表1和表2中的相关数值可以看出，加固后门式刚架的挠度均明显较小,且位移量均满足规范相关限值要求。

5　结　语

通过对现有某厂房原结构增加荷载后的结构体系重新进行模型建立及有限元分析,发现原结构不能满足现行规范要求即不能满足安全使用要求,进而对该厂房进行加固方案设计并进行分析研究。

通过分析发现加固方案设计能满足强度、刚度和稳定性等安全要求,并满足现行设计规范的要求,从而较好地达到了使用要求和加固的效果。

[1]闫翔宇,李路川,于敬海，等.既有门式刚架结构加固改造方案研究[J]. 工程抗震与加固改造,2014,36(3)：86-90．

[2]王元清,王喆,石永久,等.门式刚架轻型房屋钢结构厂房加固设计[J].工业建筑,2001,31(8)：51-52．

[3]中国建筑科学研究院.GB 50017—2003钢结构设计规范[S]．北京：中国计划出版社，2003.

[4]中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会，中国建筑标准设计研究所.CECS 102∶2002 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.

Study on the Reinforcing Design of Roofing Steel Beam for the Large Span Portal Frame Structure

WANG Hai1，2,WANG Wei1，2,ZHU Hongbo1，2

2016-02-22

王海(1980—),男,浙江杭州人,高级工程师，从事建筑结构检测鉴定及加固设计工作。

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