轻钢结构屋面加固分析与应用

王志刚，蔡冰榕，余汉谋，赵崇锐

(广东石油化工学院，广东 茂名 525000)

0 前 言

随着我国工业的转型发展，轻型钢结构体系被广泛应用于各类工业建筑结构中。其中，最为普遍的是轻型门式钢架结构，主要应用于厂房、展馆、体育馆、大农贸市场及临建等。

轻型钢结构是以压型板材为主的轻型板材作为围护结构的门式钢架轻型结构。由于其拥有建造成本低、施工周期短、所用材料少等诸多优点。随着轻型钢结构形式的高速发展与广泛应用，同时国家在新农村建设方面的投入加大，轻型钢结构也应用于畜牧养殖场等农畜牧业经济中。和其他类型房屋相比，门式钢架轻钢结构房屋屋面具有面积大、遮挡少、日照良好、易于太阳能电池板支架安装这四大优势，因而成为目前大规模太阳能电池板安装场所的最佳选择。

1 结构特点

轻型门式钢架结构主要由钢架、屋面、墙面及支撑构件组成。其结构有以下特点。

1.1 质量轻

采用门式刚架轻钢结构用钢量比为采用钢筋混凝土结构总量轻90%，比采用普通钢结构重量轻60%。

1.2 施工周期短

轻型门式钢架结构属于装配式建筑结构，只需要进行基础施工，其主要构件及配件均来自于工厂的预先制作，运输到现场后只需要进行安装即可。

1.3 柱网布置灵活

因轻型门式钢架结构的围护体系采用金属压型钢板，只需要按照要求和用钢量最省的原则确定柱距的大小即可，不需要考虑模数对柱网布置的影响。

2 加固设计

由于待加固工业厂房一般都在正常使用，若因施工而减产或停产，造成的损失比结构加固费用高出许多。因此，加固设计方案应尽可能保证原有工业厂房正常使用功能不受或尽量少受影响。

由于需要加固的厂房结构在加固前已经是在承受荷载的状态，加固施工时可能会因焊接起原有的构件而产生局部的应力集中或焊接变形。因此，加固设计应尽可能减少焊接量，尽可能消除焊接变形和焊接残余应力以免对原结构产生不利影响。

加固施工一般都为高空作业且施工操作面较小、施工难度较大，应尽量选取加固工程量相对较小，且便于施工的设计方案。

在加固施工前，要做好结构施工安全充分的安全评估，对于安全评估较低的结构需要做好安全措施，避免二次事故的发生。

3 加固方法

3.1 构件加固

钢结构加固方法主要有:增加截面法；改变结构计算简图法；减轻荷载法；增加构件、支撑和加劲肋法；增强连接等五种。钢结构加固方法的选择主要影响因素有：施工方法、工程条件、施工周期和预期效果等。同时，加固件与原结构要能够工作协调，并且不过多地损伤原结构和产生过大的附加变形。

3.1.1 按受力方式分类进行加固

1)不改变结构计算简图的加固。结合构件现状，如已有缺陷和损伤而选择合适的截面形式，以提高构件的强度和刚度。例如：在平面外稳定应力控制的钢架柱，可在钢架柱腹板对称位置上焊接T型钢，以提高其平面外稳定性；在平面内稳定应力控制的钢架柱或钢架梁，可在钢架柱或梁的受压侧腹板位置上焊接T型钢板，以提高其平面内稳定性。同时采用加焊T形钢方案则意味着更大的焊接量和更大的焊接变形风险，对此应特别慎重考虑。

2)改变结构计算简图的加固。结合构件现状，有效选取改变荷载分布情况、修改传力途径、改变节点性质和边界条件、增设附加杆件和支撑、加载预应力等措施对结构进行加固，以提高构件的强度和刚度。例如：增加中间支座或将简支结构端部连接为连续结构(对檩条的加固)；当厂房上部净空足够时，可以原屋面梁作为桁架上弦杆，另外增设桁架下弦杆和腹杆组成平面桁架。

3.1.2 按施工流程分类进行加固

1)在负荷状态下加固。该加固方法构造简单,施工便利性高，造价性价比高，且属于加固工作量最小也最简单的方法之一，但为保证结构的安全应要求原结构的承载力具有超过20%的安全余量。在负荷状态下增加较小焊缝厚度时，原有焊缝的承载能力去掉焊接热影响区长度承载力后，应大于外荷载作用产生的内力，并且构件应没有严重的损伤。例如：将单片薄壁钢板与C型钢檩条的开口侧卷边用自攻螺钉连接，对提高构件的极限承载力及抗弯刚度具有明显作用；同时，缀板的间距与抗弯刚度及极限承载力有关联影响较大。

2)卸载加固。结构损伤较严重或构件及接头的应力很高，或者补强施工不得不临时削弱承受很大内力的构构件及连接时，需要暂时减轻其负荷时，采用卸载回固法。对如吊车梁类以主要承受移动荷载为主的结构，限制其移动荷载与部分卸载相当。对于某些无法在原有结构上进行补强的构件，应及时更换或返厂补强。此时，应将结构构件荷载全部卸载。

3.2 连接件加固

钢结构主要连接方法分别有焊接、铆接、螺栓连接。钢结构连接加固可主要采用焊接、摩擦型高强度螺栓连接及两者混合连接。连接件的加固问题主要有三种情况。

1)原有连接承载能力不足需要加固的情况。最直接有效的办法就是将铆钉连接变为螺栓连接，同时增加螺栓强度、数量。

2)原构件承载能力不足需要加固的情况。主要加固方案是将加固件与原有构件通过可靠的连接形成统一整体。

3)节点连接强度不足需要加固的情况。一般采取的方法有增强节点板、增加连接件数量和强度、增加独立焊缝等。

连接加固方案还应结合结构需要、加固原因、受力情况、构件现状及施工条件等多种原因，同时考虑原有的连接方式选择适合的方案。

4 实 例

4.1 工程概况

本工程为广东省江门市华睦五金有限公司-车间五钢结构厂房，结构形式为屋面轻钢门式钢架。该厂房屋面拟加建光伏发电系统，屋面将增加不超过0.15 kN/m2的光伏恒荷载，为确保加建光伏发电系统后厂房的结构安全，需要对原厂房进行承载力复核验算。

4.2 结构承载力计算

4.2.1 材料性能

该厂房钢梁、钢柱采用Q235B钢，檩条采用Q345B钢，其他构件均采用Q235B。

4.2.2 屋面荷载

根据原图纸设计使用荷载及太阳能光伏系统重量数据，按现行规范对该结构进行加建计算，主要参数见表1。

表1 钢结构-车间五钢结构安装光伏系统后荷载变化

4.2.3 结构计算程序

结构计算程序使用的是中国建筑设计研究院编制的《PKPM系列STS20010V3.2版》。

4.2.4 结构计算

依据原设计荷载及统计增加的太阳能发电统荷载进行计算。计算结果如下。

1)GJ-1钢架：①刚架最大应力比为0.95<1.0，应力计算满足要求；②刚架最大挠度(恒+活)1/248<1/180，挠度计算满足要求；

2)GJ-2钢架:①刚架最大应力比为0.94<1.0，应力计算满足要求；②刚架最大挠度(恒+活)1/248<1/180，挠度计算满足要求；

3)GJ-3钢架:①刚架最大应力比为0.82<1.0，应力计算满足要求；②刚架最大挠度(恒+活)1/600<1/180，挠度计算满足要求；

4)GJ-4钢架:①刚架最大应力比为0.70<1.0，应力计算满足要求；②刚架最大挠度(恒+活)1/699<1/180，挠度计算满足要求；

5)GJ-6钢架:①刚架最大应力比为0.94<1.0，应力计算满足要求；②刚架最大挠度(恒+活)1/289<1/180，挠度计算满足要求；

6)屋面简支檩条计算：

(1)中间跨：(C220×75×20×2.2，8.5 m)

强度计算最大应力(N/mm2)：233.510≤300

风吸力作用下翼缘受压稳定最大应力(N/mm2)：135.882≤300

挠度验算，最大挠度(mm)：40.991<42.500

(2)中间跨：(C220×75×20×2.0，6.75 m)

强度计算最大应力(N/mm2)：112.974≤300

风吸力作用下翼缘受压稳定最大应力(N/mm2)：82.034≤300

挠度验算，最大挠度(mm)：16.204≤33.750

(3)中间跨：(2C200×70×20×2.2(背对背)，10.3 m)

强度计算最大应力(N/mm2)：131.888 ≤300

风吸力作用下翼缘受压稳定最大应力(N/mm2)：114.388≤300

挠度验算，最大挠度(mm)：48.351≤51.500

(4)中间跨：(C200×70×20×2.0，6.75 m)

强度计算最大应力(N/mm2)：181.150≤300

风吸力作用下翼缘受压稳定最大应力(N/mm2)：139.412≤300

挠度验算，最大挠度(mm)：26.873≤33.750

4.3 加固施工方案

本项目的加固方案主要采取加固檩条节点(如图1所示)、在外侧翼缘粘帖钢板、钢架柱腹板对称位置上焊接T型钢及钢架柱的受压侧腹板位置上焊接T型钢板的方法对结构进行加固。

4.4 结 论

经验算，布置太阳能光伏系统重量不大于0.15 kN/m2，轻钢屋面加固(见图1)后，承载满足规范要求，厂房屋面檩条承载力满足要求。故该轻钢屋面可布置太阳能光伏系统。

图1 加固檩条节点

5 结 语

本文基于轻钢结构门式钢架加固实例，介绍了轻钢结构及檩条的常见破坏形式及其加固措施。通过实例说明，在安装太阳板之前对屋面檩条及主钢架进行鉴定并做加固处理是十分必要的。避免盲目对太阳板进行安装而产生的安全隐患，提高建筑结构的安全性，保证了生产安全。

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