关键词：钢结构厂房；特点；荷载复核；角隅撑加固；设计
钢结构厂房随着使用时间延长，因自身质量缺陷、灾害影响，可能造成损伤，形成安全隐患，必须进行加固和修复。角隅撑加固，是在框架梁柱的节点处设置斜撑构件，能提高结构的整体刚度、承载力，改善节点的应力状态[1]。和传统加固方案相比，角隅撑加固不用拆卸已经焊好的构件，能保护原钢结构的整体性；也不用对节点加强焊接，可避免再次损害。以下结合实践，探讨了角隅撑在多层钢结构厂房中的加固效果。
1．工程概况
以某工业厂房为例，采用钢结构框架，梁柱节点进行栓焊混合连接。该厂房共有5层，其中1层的高度为4.5m，2-4层为4.2m，5层为3.0m；占地面积约为670m2，建筑面积共计3854m2。该厂房施工期间，编制完善的施工方案，落实安全技术交底，重点对焊接质量进行控制。施工完成后，业主委托有资质的第三方检测结构，对厂房施工质量进行检验。验收结果显示：在部分梁柱的节点处，存在焊接缺陷，例如焊接不充分、焊接不满、出现焊缝等。为了保证厂房后期使用的安全性，必须进行加固处理。
2．钢结构的优势和多层钢结构厂房的特点
2.1 钢结构的优势
总结钢结构的优势有：①质量轻、强度高，能满足大跨度、大荷载的要求。和混凝土结构、砌体结构相比，自重能减轻30%左右，能提高抗震性能。②具有良好的韧性和塑性，钢材对动荷载的适应性更强，即使遇到偶然荷载作用，发生断裂的概率也很小。③钢构件能在工厂内批量生产，且现场安装施工方便，能缩短施工周期，节约人力物力。④钢构件可以循环使用，具有绿色环保的特点，符合国家节能降耗、可持续发展的要求。
2.2 多层钢结构厂房的特点
多层钢结构厂房的特点是：①多层钢结构厂房既能满足生产需要，又方便材料和设备的堆放，荷载承受力能达到2.5-20kN/m2。相比于民用钢结构厂房，承受能力明显提高。②钢结构厂房建设时，经常会有集中荷载、悬挂荷载的情况，受力情况复杂。其中，集中荷载是生产过程中，出现的震动荷载；悬挂荷载主要是设备运输、水电和工艺管线引起的。③民用钢结构厂房的整个结构，多采用对称式，楼板是平面连续的；工业钢结构厂房为了满足生产需要，整个结构是不规则的，会出现楼面开洞、楼面错层的情况，更容易出现扭转力[2]。④多层钢结构厂房的层高普遍较大，常见层高在4-8m之间，由于厂房内部的空间大，使用的柱网也会增大，柱网高度能达到6-18m。
3．原钢结构厂房荷载的复核
3.1 荷载类型
该厂房楼面的恒荷载是4.2kN/m2，活荷载是12.3kN/m2，该地风压是0.56kN/m2；抗震设防烈度是7度，框架的抗震等级是4级；钢材强度为Q345，混凝土强度等级为C35。分析整个钢结构的特点，最终确定荷载组合是：1.2恒荷载+1.4（活荷载+0.6风压），地震带来的影响不大。
3.2 复核计算
对钢结构框架的荷载组合进行校核，部分指标见下表1。结果显示：主要指标的复核结果均在标准范围内，厂房整体安全性满足设计要求。因此，不需要对钢构件进行拆除，只需对梁柱节点进行加固即可。
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4．角隅撑加固多层钢结构厂房的设计分析
4.1 加固方案
对梁柱节点进行加固时，可以采用的方案有：修复焊缝、使用梁翼缘贴板、梁端加腋板等。但是，这些加固方案施工时，需要拆除局部楼板，对原来的焊缝进行清理，然后重新焊接。考虑到该厂房已经完工，采用这些加固方案时，不仅增加了施工难度，还可能导致钢构件出现新损伤，加固成本较高，因此不宜采用[3]。结合钢结构厂房的实际情况，从安全性、技术性、经济性三个方面考虑，经业主、施工企业、第三方监测机构共同商讨，最终决定采用角隅撑加固方案，在梁柱节点附近设置支撑，提高钢结构框架的整体稳定性。
4.2 加固计算
角隅撑的材质是工字钢，尺寸为200mm×200mm×8mm×12mm。加固时，位置是梁距离柱中心线的水平间距为1200mm、柱距离梁中心线的垂直间距为1200mm，按照45°设置角隅撑。以H型钢柱和梁体为例，连接方式见图1。.png)
图1：横向连接和纵向连接示意图
具体加固施工时，清理原焊缝重新焊接，或不进行处理，对加固节点的受力性能影响不大，因此不再进行清理和修复。其中，加固类型包括两种：一种是铰接，另一种是刚接，加固后的计算结果见下表2。分析可知，加固后结构应力、位移均明显减小，各项指标满足规范要求。
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4.3 节点分析
为了分析角隅撑和梁柱节点的受力情况，避免存在薄弱部位，选择其中最不利的部位作为对象，对梁柱节点的荷载情况进行模拟分析[4]。结合本工程的实际情况，最不利钢结构框架是1层5轴，最不利荷载节点是5轴和B轴的连接处。利用PKPM分析软件和ABAQUS连接器，构件受力采用板单元，钢材本构关系采用理想弹性模型，缺陷因子为1/1000，分别按照铰接、刚接建立模型。其中，建立铰接模型时，利用铰接功能模块；建立刚接模型时，利用绑定约束功能模块。按照构件的内力比例缓慢加载，直至钢结构屈服。结果显示：
第一，梁柱节点铰接时，施加荷载达到设计值，可见节点、梁端的应力是均匀分布的，且整体数值较小，最大的应力位于角隅撑外侧、主梁的翼缘处。施加荷载为设计值的1.2倍时，节点和梁端区域的应力分布基本没有变化，高应力区向跨中发展，主梁的翼缘处出现屈服。施加荷载为设计值的1.3倍时，节点处的应力分布基本没有变化，角隅撑下方柱的应力增大，应力最大值出现在主梁的腹板区域，呈现出屈服状态。
第二，梁柱节点刚接时，施加荷载达到设计值，节点处的应力小、分布均匀，梁端翼缘的应力高于铰接情况，最大应力位于角隅撑外侧、主梁的翼缘处。施加荷载为设计值的1.2倍时，梁翼缘部位的应力明显增大，但没有屈服。施加荷载为设计值的1.3倍时，角隅撑下方柱的应力继续增大，应力最大值出现在主梁的腹板区域，呈现出屈服状态。
总结来看，梁柱铰接节点、刚接节点，其屈服过程基本一致，钢构件的承载力相近；最大应力均出现在角隅撑外侧、主梁的翼缘处；随着荷载加大，均是梁构件先出现屈服，满足强柱弱梁、强节点弱构件的要求[5]。
结语：
综上所述，多层钢结构厂房在工业建筑领域应用普遍，针对梁柱节点的焊接缺陷问题，可采用角隅撑加固方案，提高钢结构的承载力，满足安全性要求。文章结合工程案例，介绍了角隅撑加固方案，结果显示加固后结构应力、位移均明显减小，各项指标满足规范要求。希望通过本文，为类似加固工程提供借鉴，提高多层钢结构厂房的安全性和耐久性。
参考文献：
[1]王竹林,柳锋,毛苗波.角隅撑加固多层钢结构厂房的设计与分析[J].山东建筑大学学报,2019,34(3):38-41,56.
[2]曹宇星.多层钢结构工业厂房结构设计要点概论[J].四川水泥,2019,(7):57.
[3]罗柳怡.多层钢结构工业厂房结构设计探析[J].建筑·建材·装饰,2018,(24):193,206.
[4]吴智华.单层多跨钢结构厂房的结构设计及地震作用分析[J].科技创新与应用,2019,(14):91-92.
[5]李轶鹏,王元清,王秀丽,等.钢结构的粘钢加固技术及其工程应用[J].工业建筑,2017,47(11):202-206
论文作者:汪鹏飞
论文发表刊物:《工程管理前沿》2020年1月第2期
论文发表时间:2020/4/22
标签：荷载论文; 梁柱论文; 节点论文; 应力论文; 钢结构论文; 多层论文; 钢结构厂房论文; 《工程管理前沿》2020年1月第2期论文;