基于PKPM大型钢梁竖向位移精准控制技术研究

王志伟

【摘要】在工业厂房中特别是老旧钢结构厂房改造，对于大跨度大型型钢梁的设计和受力分析十分重要，鉴于现有的CAD 等平面计算机辅助设计很难达到精确控制其位移和形变量的要求，因此我们就需要结合PKPM等三维设计建模对现场条件和各部分受力情况进行精确建模和准确分析，已达到精确控制大型钢梁位移和形变精确控制的目的。

【关键词】钢梁;形变;位移;受力分析;三维建模

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

16.100

1、项目背景

攀钢钒950生产线厂房建于上世纪70年代，结构老化，屋面系统结构复杂、跨距大，改造部位的混凝土屋面板重达110t，且厂房净空高度低。在保留原厂房混凝土屋架及屋面系统的前提下，完成更换屋面系统托架梁改造难度非常大。同时对于新托架梁由于跨度由原来的6米增加到新的30米，如何对新的大跨度的托架钢梁进行精确的受力分析，达到精确控制其形变和位移的目的，尤为重要。

2、主要研究的内容及目标

在满足设计工艺要求的前提下，结合改造过程中的技术难点，经过研究拟采用“大型钢筋砼屋面体系整体荷载转移抽柱托梁”施工工艺，该工艺主要包含以下内容。

2.1 大型型钢梁竖向位移精准控制技术研究

主要包含：混凝土屋面及附加荷载的理论计算、新托架梁的结构形式设计以及新托架梁预起拱高度值设计等。

目标：达到新托架梁的竖向弹性形变的精准控制同时满足强度要求。

2.2 屋面系统、新旧托架梁之间荷载转移施工工艺研究

主要包含：研究屋面系统和屋架系统整体荷载平稳转移工艺，确保原屋架系统的荷载通过“屋面整体荷载转移装置”安全、高效地转移至新增托架、柱上的方法及施工工艺。制定出科学合理施工工艺流程。

目标：通过发挥自身的技术实力，研究出一套“大型钢筋砼屋面体系抽柱托梁荷载平稳转移技术研究”成果，并在后续类似工程项目中得到推广应用。达到优质高效的完成旧厂房改造目的，增强公司的竞争力。

2.3 专用荷载转移装置的设计与制作安装工艺研究

主要包括：荷载转移装置的外形设计、材料的选择、所用设备的选择、装置各部件的连接方式、制作方法的研究。设计并制作出适应现场实际条件的专用荷载转移装置。

3、工艺研究过程

3.1 托架梁竖向位移精准控制技术研究

为确保新托架梁更换后整个屋面系统不产生较大竖向位移，实现荷载平稳、安全转移，在施工前设计人员对6块混凝土屋面板以及相关附属结构进行详细的调查和计算，同时利用钢结构模拟PKPM软件进行强度校核和竖向位移模拟，均达到控制要求。其中竖向位移最大为20.2mm， 设计人员根据计算机模拟情况，针对性的对托架梁起拱值进行设计，确保了整个屋面系统不产生较大竖向位移，实现了精准控制。

3.2 屋面系统、新旧托架梁之间荷载转移施工工艺研究

3.2.1 工艺原理设计

屋面系统荷载转移方法设计原理：利用液压顶升器带动2、3号柱柱顶支座连同屋架及屋面系统整体拉起，同时通过自身的横梁将向上的拉力转化成对新托架梁向下的压力，从而实现对新梁的预压（20mm），当1#柱和新增柱之间的屋架系统、屋面系统和旧托架梁通过液压顶升器连同节点支座全部提起，并与2#柱、3#柱柱顶脱离接触时表明以上三个系统重量已全部转移至新托架梁上，整个过程就需要严格控制起升速度，从而实现整合的平稳转移。

3.2.2  荷载转移过程受力分析

荷载转移过程旧托架梁连同2#、3#柱顶支座和屋面系统整体受到向上拉力，同时新托架梁受到向下的压力，由于旧托架梁没有预先拆除，新托架梁在焊接到1#、新增柱顶支座上后，此时新托架梁、旧托架梁、屋架梁、屋面系统为一个整体，因此荷载转移过程实际上是该整体结构内部力的转化，通过计算机模拟分析1#、新增柱柱顶支座和新托架梁两端没有竖向位移，新梁中部位移最大，整个屋架及屋面系统基本没有上升位移，新梁在屋架及屋面系统作用下对预先起拱值抵消，最终产生竖向位移在设计范围内。整个荷载转移过程屋面相对位置基本没有变化（2mm竖向位移），这就对新梁的设计和荷载转移装置的设计制作提出较高的水平要求。

3.3 专用荷载转移装置的设计与制作工艺研究

（1）荷载转移装置下段现场制作安装

在现有屋架支座的四周搭设操作平台，然后用20mm钢板在原有柱顶屋架支座顶板上焊接荷载转移支架装置下段。现有钢屋架和混凝土屋架支腿间有150mm的间隙，先用450×530×20mm的钢板从缝隙中穿过去安装在缝隙的正中间。然后用4块325×530×20mm的钢板进行加筋。各角焊缝的高度不得低于14mm，焊缝外观质量不低于三级。

（2）荷载转移装置上段、横梁制作安装

在荷載转移支架下段的正上方用20mm的钢板和工25a型钢焊接荷载转移装置上半段部分。先将20mm钢板在安装位置拼成900×220×20×20的H型钢 ，然后在H钢上方焊接一根长700mm的25a工字钢作为荷载转移装置的横梁。

（3）下压装置的制作安装

在现有屋架制作的两侧用工25a型钢焊接下压装置。下压装置安装在现有屋架轴线两侧，与新托架的上弦顶面进行焊接。

（4）平衡梁、平衡千斤顶的制作安装

平衡梁的作用为：在主千斤顶工作时防止千斤顶顶偏导致横梁歪斜的安全保护措施，在上部横梁上增设4根横梁，采用工25a型钢长度300mm与主梁对接焊接。平衡千斤顶作用为：在不均匀受力的一侧用10t的平衡千斤顶进行调平。使得主梁平稳垂直上升。

结语：

通过本课题研究，形成了一项“整体顶升大型结构厂房屋面系统抽柱换梁施工工艺”成果，实现了投资成本低、施工工期短、安全可靠性高、环保效果好的目的，取得了在复杂现场情况下对老旧结构厂房的更新改造经验，达到了良好的效果。

参考文献：

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[2]穆国禹.浅谈钢结构施工的安全防护措施[J].中国建筑金属结构，2018（01）.

[3]李建军.土木工程钢结构施工技术的有关问题初探[J].建材与装饰，2018（03）.