某管桁架结构的加固方案

王贞琴，蒋 媛

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 611100)

1 工程概况

某工程位于四川省九寨沟县城，为1层的开敞大厅，外围护墙及屋顶均为玻璃幕墙，主体结构由六榀主桁架、四榀次桁架及钢管柱组成完整的框架结构体系，桁架采用空间三角形管桁架，主要采用的钢管截面尺寸(外径×壁厚)有：194 mm×6 mm、168 mm×6 mm、114 mm×4 mm、60 mm×4.5 mm等，钢管和钢材均为低合金钢Q235B，杆件之间均采用相贯焊结节点形式，焊缝均为全熔透焊缝。

该工程设计于2005年，于2006年投入使用。使用现状如图1，原结构见图2。

业主根据使用情况，需要将其规划为酒店宴会大堂使用，对其内部空间的使用功能进行调整，并且增加保温隔热吊顶，增加中央空调，屋面增加太阳能光伏发电板。

图1 使用现状

图2 原结构平面图(单位：mm)

由于以上功能改造，大大增加了原结构的荷载，此次将根据新的使用功对原结构进行验算，并对不满足现行规范要求的部位进行加固设计。

2 原结构计算复核

2.1 原结构检测

工程完工后使用至今10多年，部分杆件及连接节点区域难免有防火涂层开裂、起壳、剥落，钢材表面锈蚀等情况，并且已收集到的原设计图纸是否与现场实际结构一致等，均需要对原结构进行现场鉴定检测。鉴定检测包含结构布置、主要钢件截面尺寸复核，钢材强度检测、焊缝质量检测、涂层厚度检测、损伤状况检测、锈蚀情况检测等[1]。根据鉴定检测报告，进行下一步计算分析。

2.2 结构承载力验算

根据现场检测结果和原设计有关图纸资料，结合房屋改造后使用荷载情况，采用上海同磊土木工程技术有限公司3D3S结构计算程序，并根据相关现行国家规范及标准对结构承载力进行分析验算。

2.2.1 参数取值

设计使用寿命：原结构设计使用寿命为50年，至今已使用15年，加固后使用寿命不超过原设计使用寿命，按35年考虑，荷载等参数取值按设计基准期50年取值。

抗震设防相关参数：该地区抗震设防烈度为8度0.2 g，设计地震分组第三组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.45 s。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[2]5.1.1，屋架跨度小于24 m，计算水平地震作用，不计竖向地震作用。抗震设防类别标准设防类，结构阻尼比0.3，结构抗震等级三级。

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[3]，该地区50年一遇基本风压0.3 kN/m2，基本雪压0.4 kN/m2。

根据改造后装修及使用功能要求，屋盖结构附加恒载、活载取值见表1。

表1 屋盖结构附加恒载、活载取值

2.2.2 整体结构指标

原结构已工作运行15 a，结构在原荷载作用下产生了一定的变形，计算时按原恒载+活载作用下产生的变形值考虑结构整体初始缺陷，主要计算结果如下。

1)结构振型。结构前三阶振型如表2所示，分别为X平动、Y平动和扭转振型。结果表明结构布置合理，抗侧刚度合适。

表2 结构前三阶振型

2)结构位移。地震和风荷载作用下的层间位移角均能满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)。恒载+活载作用下结构扰度最大值为70 mm，为跨度的1/270，满足规范要求1/250。

2.2.3 结构构件验算

根据整体计算结果，提取构件内力进行构件承载力验算。结果表明，由于荷载增加，构件内力加大，主桁架上弦杆件承载力不足，上弦应力比最大为1.30。

根据以上复核结果，该结构整体抗震性能满足规范要求，但局部构件承载力不满足要求，需要进行结构加固后才能满足新的使用功能要求。

3 结构加固方案

根据《钢结构加固设计标准》(GB 51367—2019)[4]，钢结构的加固可分为直接加固与间接加固两类。直接加固宜根据工程的实际情况选用增大截面加固法、粘贴钢板加固法和组合加固法。间接加固宜根据工程的实际情况采用改变结构体系加固法、预应力加固法。

3.1 增加钢柱支撑

根据新的使用功能要求和建筑平面布置，在4～5轴之间布置一道内隔墙，可以在墙体处增加钢柱支撑，减小屋顶桁架的跨度，从而减小桁架构件的内力。此种加固方案属于改变结构体系的加固设计，需要考虑构件、节点和支座的内力重分布，并且增加钢柱基础。参考原结构的基础设计，持力层较深，原基底标高为-4.5 m，此方案基础施工难度较大。不建议选择此加固方案。

3.2 钢管截面加大

原结构承载力不满足的构件是主桁架上弦管，可以考虑直接加大管截面来满足承载力要求，如图3所示。方案一采用两个半圆钢管对接焊，方案二采用对称焊接钢板增大截面法，在腹杆与弦杆连接节点处，不方便加固处理。且增加此两种方案主要针对上弦杆施工，需要拆除上部玻璃屋面才能进行焊接施工，施工完之后，再复原屋顶玻璃面，此方案会增加一定的施工作业量。

图3 方案示意

3.3 桁架截面加大

除了采用以上直接加大管截面外，还可以考虑增大桁架截面，相当于增加了桁架截面面积且截面高度增加结构刚度增大。如图4所示，此方案在桁架的下弦进行焊接施工，减少对上部玻璃屋面影响。

图4 方案三

3.3.1 整体计算结果

通过3D3s软件进行整体模型计算可以得到，结构恒载+活载下扰度值减小为45 mm，仅为跨度的1/420，所有杆件中应力比也减小为最大0.9，满足《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[5]。

3.3.2 节点分析结果

通过Midas FEA NX软件进行节点有限元分析，取腹杆轴力较大节点进行分析得到图5～6所示结果，最大应力为174.95 N/mm2，小于钢材的强度设计值，满足规范要求。

图5 节点一应力云图

图6 节点二应力云图

4 结 论

1)对于使用有一定年限的既有建筑加固改造前，建议进行结构体系的现场检测和鉴定分析，为加固设计提供依据。

2)对于改造项目首先通过整体分析，确定原结构刚度、变形是否满足现行规范要求，对于不满足情况进行加固设计。应采用简单有效的加固方案，提高结构抗侧刚度、提高构件承载能力、减小结构整体变形、控制构件应力。利用有限元软件对关键节点进行分析可以明确节点的薄弱部位，并据此采取针对性的优化加固方案，从而保证节点安全。

3)应考虑施工的便利性，减小对原结构的破坏。在原结构上进行焊接施工前，除去钢材表面涂层材料，施工完成后，再根据防腐防火要求进行涂装。

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