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二手钢结构加固技术的应用

发布时间2021-05-12人气:36

摘 要】随着科技的发展新型材料的运用越来越广泛,其中钢材是其中普遍采用的一种。在现实中存在各种因素的影响,使得钢结构的强度、刚度或稳定性能不满足使用要求,应针对具体情况对钢结构进行加固。为使钢结构的加固做到技术可靠、经济适用、施工简便和确保质量,本文结合实际工程介绍了钢结构加固技术的应用。

【关键词】钢结构加固;补强柱;工程

0 引言

工业与民用建筑和一般构筑物的钢结构因设计、施工、使用管理不当,材料质量不符合要求,使用功能改变,遭受灾害损坏以及耐久性不足等原因而需要对钢结构进行加固的设计、施工和验收。对有特殊要求和特殊情况下的钢结构加固,应符合相应的专门技术标准的规定。我们根据多年的施工和设计经验,使得钢结构的加固技术在这一领域得到广泛的应用,为了提高原有钢结构的承载力、耐久性和满足使用要求,并使钢结构的加固做到技术可靠、经济适用、施工简便和确保质量,有必要对这一课题进行应用与研究。

1 常见钢结构需要加固补强的原因总结

钢结构存在严重缺陷和损伤或改变使用条件,经检查验算结构的强度、刚度或稳定性不满足使用要求时,应对钢结构进行加固。常见的钢结构需加固补强的主要原因有:

(1)由于设计或施工中造成钢结构缺陷,如焊缝长度不足,杆件切口过长,使截面削弱过多等等。

(2)结构经长期使用,出现不同程度的锈蚀、磨损以及操作不正常等,造成结构缺陷,使结构构件截面严重削弱。

(3)工艺生产条件变化,使结构上荷载增加,原有结构不能适应。

(4)使用的钢材质量不符合要求。

(5)意外、自然灾害对结构损伤严重。

(6)由于地基基础下沉,引起结构的变形和损伤。

2 钢结构的加固原则

结构或构件加固是一项复杂的工作,要考虑的因素很多。加固方法应从施工方便、不影响生产、经济合理、效果好等方面来选择,一般原则如下:

(1)加固应尽可能做到不停产或少停产,因停产的损失往往是加固费用的几倍或几十倍。能否在负荷下不停产加固,取决于结构的应力应变状态。一般构件的内应力小于钢材设计强度的80%,且构件损坏变形等不是太严重时,可采用负荷不停产加固方法。

(2)结构加固方案要便于制作、施工,便于检查。

(3)结构制造组装应尽量在生产区外进行。

(4)连接加固应尽可能采用高强螺栓或焊接。采用高强螺栓加固时,应验算钻孔截面削弱后的承载能力;采用焊接加固时,实际荷载产生的原有杆件应力最好在钢材设计强度60%以下,极限不得超过80%,否则应采取相应的措施才能施焊。

3 钢构件的具体加固技术

钢柱的加固:钢柱通常为轴压构件或压弯构件,结合其受力特点,应采用以下加固方法。

3.1 柱子卸荷法

必须在卸荷状态下加固或更换新柱时,采取“托梁换柱”方法。当仅需加固上部柱时,可以利用吊车梁桥架支托起屋盖屋架,使柱子卸荷。当下部柱需要加固或工艺需要截去下柱时,可在吊车梁下面设一永久性托梁,将上部柱荷载(包括吊车梁荷载)分担于邻柱(必须验算邻柱并加固之,也要验算基础)上。采用此法应考虑到用托梁代替下柱后,托梁将产生一定的挠度,迫使原屋架下沉,从而可能损伤与此屋架相连构件的连接节点。为此可预先在托梁上加临时荷载!,使托梁具有预先挠度。采用此法的顺序是先加固邻柱、焊接托梁与邻柱、加临时荷载、焊接托梁与中柱、卸下临时荷载、加固或截去下部柱。

3.2 钢柱加固法

(1)补强柱的截面。一般补强柱截面用钢板或型钢,采用焊接或高强螺栓与原柱连接成一个整体。

例如林州重机集团公司的浇铸钢结构车间,长度为210m,宽度为54m,高度22m(15m);荷载布置情况:基本风压0.45kN/m2,基本雪压0.40kN/m2,屋面檩条活荷载0.50kN/m2,屋面恒载0.20kN/m2,抗震烈度为7°,双连跨钢结构厂房,其中AB跨:1~9轴线布置一台50吨吊车,7~36轴线布置两台20吨吊车;BC跨:布置一台50吨吊车,两台20吨吊车,由于甲方的工艺发生变化,使得原有设计结构的钢柱不满足要求,原有钢柱截面尺寸为:H780×300×8×14(Q345-B),但是经过反复计算后,需要加大钢柱的截面尺寸变为:H950×300×8×14(Q345-B),由于钢架均以全部加工制作完成,合计688吨,若需要更换钢柱则需要增加492吨,但经过研究后采取补强柱的截面方法,在安全使用的前提下,对钢柱进行加固处理则仅增加100吨,使得损失降到了最低,同时,该工程的工期得到了保证。

因构件的计算长度保持不变,故加固方法的实际原理为:

钢柱H780×300×8×14的截面特性+[20a的截面特性:

截面型号:工槽下开口T形C-200*73*7*11

钢材组合截面

截面材料类型:Q345

截面每米质量:135.79kg/m

截面几何参数如下:

截面外包高度 H=853mm

截面外包宽度 B=300mm

截面力学参数如下:

形心距截面左边 Cx=15cm

形心距截面下边 Cy=45.83cm

截面面积  A=172.99cm2

x向剪切面积 Ax=83.38cm2

y向剪切面积 Ay=76.4cm2

x轴截面惯性矩 Ix=192117cm4

y轴截面惯性矩 Iy=8083.6cm4

截面抗扭惯性矩 Iz=76.3058cm4

xy轴截面惯性矩 Ixy=0cm4

x轴截面抵抗矩 Wx=4191.57cm3

y轴截面抵抗矩 Wy=538.9cm3

x轴回转半径 ix=33.32cm

y轴回转半径 iy=6.83cm

然而,进过计算后钢柱H950×300×8×14的截面特性:

截面型号:H-950*300*8*14

截面材料类型:Q345

截面每米质量:123.84kg/m

截面几何参数如下:

截面高度 H=950mm

截面宽度 B=300mm

腹板厚度 Tw=8mm

翼缘厚度 Tf=14mm

截面力学参数如下:

形心距截面左边 Cx=15cm

形心距截面下边 Cy=47.5cm

截面面积  A=157.76cm2

x向剪切面积 Ax=70cm2

y向剪切面积 Ay=76cm2

x轴截面惯性矩 Ix=236246cm4

y轴截面惯性矩 Iy=6303.93cm4

截面抗扭惯性矩 Iz=70.538cm4

x轴截面抵抗矩 Wx=4973.59cm3

y轴截面抵抗矩 Wy=420.26cm3

x轴回转半径 ix=38.69cm

y轴回转半径 iy=6.32cm

x轴截面面积矩 Sx=2815.68cm3

y轴截面面积矩 Sy=322.37cm3

通过上述两种截面互相比较后,即组合截面Iy =8083.6cm4≥经过计算后截面Iy =6303.93cm4满足整个结构的需要,故采取了补强柱的截面方法(一般补强柱截面用钢板或型钢,采用焊接或高强螺栓与原柱连接成一个整体)。(简图如下):

(2)增设支撑。增设支撑以减小柱自由长度,提高承载能力。在截面尺寸不变的情况下提高了柱的稳定性。

(3)在钢柱四周外包钢筋混凝土进行加固,可明显提高承载能力。

3.3 柱脚加固法

(1)柱脚底板厚度不足加固方法

增设柱脚加劲肋,以达到减小底板计算弯矩的目的。在柱脚型钢间浇筑混凝土,使柱脚底板成为刚性块体。为增加粘结力,柱脚表面油漆和锈蚀要清除干净。

(2)柱脚锚固不足加固方法

增设附加锚栓。当混凝土基础较宽大时采用。在混凝土基础上钻出孔洞,插入附加锚栓,浇注环氧砂浆或硫磺砂浆(孔洞直径为锚栓直径加20mm,深度大于30d)。将整个柱脚包以钢筋混凝土。新配钢筋要伸入基础内,与基础内原钢筋焊。

4 结论

钢结构加固技术一般针对性比较强,需要根据具体问题进行具体分析。例如林州重机集团公司的浇铸钢结构车间,长度为210m,宽度为54m,高度22m(15m);双连跨钢结构厂房,总用钢量为688吨造价447万元。由于林州重机集团的工艺发生变化,使得原有设计结构的钢柱不满足要求且加工制作完成,若更换钢柱则需要增加用钢量492吨,造价320万元。经过天宏公司设计人员验算,采取补强柱的截面方法,对钢柱进行加固处理仅需要增加用钢量100吨,造价70万元。本工程为业主节约成本250万元,使得损失降到了最低,同时,保证了工程工期。通过此项技术在该工程中的成功应用,使设计人员积累了宝贵经验,增强了天宏钢构公司设计能力,推进了技术创新,加快了技术改进步伐。


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