改变计算图形在钢柱加固设计中的应用

梁晓杰

（太钢（集团）工程技术有限公司，山西太原 030009）

1 加固背景

1.1 现场情况

某厂原料皮带运输通廊2腿支撑钢柱（本文以下按柱名HZ-1）总高37m，工人现场巡查发现其存在肉眼可见的侧向位移，经专业公司现场实测，支架本身平面外出现侧弯，测量数据详细如下：通廊轴线方向，支架HZ-1平面外为X为0（通廊轴线方向），平面内Y为0（通廊轴线垂直方向）；距地 10m，X=34，Y=17；19m，X=112，Y=36；37m，X=20，Y=70。

钢柱HZ-1在平面外出现侧挠，最大挠度在柱子中部，挠度为112m。支架HZ-1挠曲变形现状见图1。

图1 HZ-1现状

图2 HZ-1加固后立面

1.2 原因分析

复核HZ-1支架原结构计算模型，HZ-1支架柱柱脚为刚接，上部与通廊为铰接，长度计算系数按1.0。按照规范，该柱“容许长细比”为150。HZ-1支架柱选用型钢为HM800×300×13×26，实际计算结果为125，计算满足要求。

以上为HZ-1仅考虑轴压力的理想工况，但在实际使用过程中，未知的工况，如：①支架间增加气力输灰管道产生的推力；②斜通廊重力（通廊自重和皮带机、物料重量）的水平分力对柱的推力。

本案HZ-1原设计仅考虑顶部通廊荷载轴向压力，未考虑侧向力对钢柱产生的影响，实际上HZ-1支架距地7.3m处吊挂一根气力输灰管道，管道靠高压气体进行除尘灰输送。除尘灰在高压气体作用下，向前移动，对管道产生摩擦力，此力最终成为传导至HZ-1支架上的推力。此推力作用下，在HZ-1顶部通廊内人员明显能感到通廊的固定频率单向晃动，通廊内作业人员明显感觉不舒适，结构存在不安全。

以上增加的①和②未知工况叠加的侧向力，使HZ-1柱由单纯轴压构件变成偏心受压作用的构件，这种偏心受压作用杆件，不论压力偏心多么小，压杆的次要变形—弯曲变形都有可能随着变形或压力的增大而不断增大，并逐渐转化为主要变形。

经过复核，HZ-1支架顶部通廊的压力（单柱750kN）已接近实腹钢柱临界力，原处在稳定平衡状态的钢柱会因侧向力向刚度较小的一侧发生弯曲或扭转，如令其变形继续发展，会造成整体丧失稳定。为此，急需对HZ-1进行加固，以确保生产安全运行。

2 方案对比

根据《钢结构加固技术规范》（CEC S77—96）中3.3.1条，钢结构加固主要方法有：减轻结构（构件）荷载、改变结构计算图形、加大原结构构件截面等。根据本工程实际情况，考虑采用改变结构计算图形的加固方法。此方法主要指采用改变结构荷载传力途径、改变荷载分布状况、改变节点（约束）性质以及构件边界条件，增设附加杆件和支撑、对构件施加预应力和考虑构件空间协同工作等措施对结构进行加固的方法。

结合现场实际情况，根据业主要求，我司经过现场测量及勘察，原因分析，提出两个加固方案：①新建支架：新建一4腿固定支架，新支架建成后，通廊荷载全部转移到新支架上，原HZ-1退出工作。此方案需要新立支架和基础；②改变结构计算图形的加固方法：把已经变形的HZ-1支架柱当做桁架结构的受压杆，在柱东侧增设弦杆承担拉力，压杆与受拉杆之间用腹杆构造连接。

按照工业建筑设计中要求贯彻“坚固适用、技术先进、经济合理”的方针，对比两个方案：①设计保守、安全稳妥，偏于安全，符合“坚固适用”原则，但需新做4个基础，占地面积大、施工周期长且高空作业施工难度大；②结构简单、设计新颖、造价低、施工相对简单，符合“技术先进、经济合理”的方针。

综合考虑结构安全、技术、经济、施工周期等几方面因素，为保证生产正常进行，减小加固施工带来的干扰，业主倾向于方案②。此加固方案不能对钢柱变形进行“纠偏”，其目的只能是防止钢柱侧向变形继续加大，属于“折中”的结构加固方案。

3 加固结构设计

3.1 改变计算图形

HZ-1为单片滑动支架，HZ-1偏压钢柱一侧增设构件，构件之间采用腹杆连接，改变了其结构计算图形。如将增加受拉杆件的支架顺时针旋转90°放置水平，即为典型的“桁架”结构。此方案增设附加受拉杆件和构造腹杆，将已发生弯曲变形的钢柱变为整体“桁架”中的受压构件，增加的构件为桁架受拉弦杆，改变了结构形式和荷载传力途径。

3.2 结构计算

结构计算用PKPM软件STS-2模块，建模输入参数，确认柱底和柱顶支座约束条件（对构件计算长细比结果至关重要），进行分析计算，构件以长细比控制为主，为安全稳妥起见，将计算指标（强度比、稳定应力比）控制在0.6左右，构件截面适当加大，以加大安全储备。

结构计算模型和结果分别见图3、图4。

图3 HZ-1结构计算模型

图4 计算结果图形

4 结构稳定的再思考

稳定无疑是细长柱设计的控制工况，对柱弯曲失稳临界应力影响最大的主要因素是长细比，细长构件往往是其强度未达到达极限状态就会丧失稳定，而轴心受压构件最常见的是弯曲失稳。

柱越长或越细，即长细比越大，则临界应力越小，越容易弯曲失稳。柱弯曲失稳总是顺着刚度较弱的方向，即长细比较大的方向发生。

结构设计选择构件应首选长细比各向同性的圆管、方管构件，对于两个主轴x、y轴长细比不相等或差异巨大的构件，其弯曲失稳总是顺着刚度较弱的一侧发生，即长细比较大的方向发生，故结构计算尤其空间结构计算应充分考虑构件各个方向的长细比。

设计人在本例计算时，只进行单个支架的计算，而不是几个支架和通廊整体建模，再者使用工况超出设计工况，结构受力状况发生改变，使轴压构件变为偏心受压构件，构件发生变形并不断发展，从而对影响结构使用甚至带来结构安全隐患。

基于对HZ-1变形的原因分析，笔者认为对于高耸结构，如支架、塔架，设计人员在进行单个构筑物结构计算时，在充分考虑所有工况的情况下做结构整体分析计算，对处在轴压临界力状态下的“细长”构件，应加大构件截面，例如本案中HZ-1钢柱长细比应控制在100以下，以增加安全储备。

5 结论

加固设计中改变计算图形，其结构计算简图，应按结构形式，依据实际荷载、支承约束情况、边界条件、传力途径等确定，应充分考虑结构使用中的各种不利工况，但实际工作中的有利因素也应适当考虑，如结构的空间作用以及新结构和原结构的共同作用等因素。

本例中，改变结构计算图形做为钢柱加固设计的一种方法，将受压钢柱一侧增加受拉弦杆，等同于桁架下增加撑杆的加固方式。计算图形的改变，实则是结构形式的改变，将轴压柱转为“桁架构件”对原结构进行加固，增强构件刚度，遏制变形发展，保证了结构安全性；同时施工过程节省工期，节约造价。从加固后2年的实际使用情况来看，变形得到了遏制，结构得以继续使用，设计满足要求。