工业厂房屋面管道托架加固分析

 刘  君  戴  斐

 （中冶节能环保有限责任公司，北京  100088）

摘  要：结合某工程实例介绍钢结构厂房屋面管道托架加固设计的基本原理及根据各种实际情况可采取的不同加固方式。在原荷载和加大荷载两种工况下，利用PKPM软件进行内力分析和构件截面及节点补强验算。采用增大构件截面的方法可以在满足“不停产”的条件下加固补强管道托架。

关键词：钢托架；增大构件截面；补强验算；加固 DOI:10. 13206/j.gjg201603019

 随着工业的发展，已建工业厂房的加固项目越来越多。加固施工时不能影响工业厂房的正常使用是加固施工的特殊要求。因此，结合工程实例，对某厂房屋面构件的加固方案、构件的受力分析、加固构件及节点验算进行分析。

1  项目背景

 该工程为山东某炼钢厂300 t热闷主厂房，厂房总长为197 m，高为25 m（檐口高度），厂房为2跨，其跨度分别为32，27 m，柱距为1 1，13，15 m。厂房采用钢排结构，钢柱为格构下柱+焊接H型钢上柱；屋架为梯形钢屋架，带天窗；屋面檩条采用轧制及焊接H型钢+组合角钢隅撑，形成竖向支撑体系。

 工艺要求在15一17轴屋面上方跨越三条集尘管道，在屋面屋脊及檐口附近设置管道支架，管道直径为2.6 m，局部屋面及管道布置见图1。管道支架安装在钢托架上，钢托架为桁架，托架端部上、下弦与屋架的上、下弦节点进行连接。

2加固改造要求及范围

 现有钢托架管托上竖向荷载由原设计50 k N改为320 k N，导致钢托架承载力不能满足要求，需进行加固补强。由于厂房及屋面上部管道已投入使用，改造加固不得影响生产。

 加固补强范围为：15一17轴屋架，A轴向B轴偏移2.3 m处钢托架，C轴向B轴偏移2.8 m处钢托架，位置见图2。

3改造加固方案的选择

 原构件材质采用Q345B，加固构件材质与原构件相同。

3.1  置换托架方案

 对于原结构钢托架承载力不足的情况，可采用新增钢托架替换原有钢托架来提高钢托架承载力的方法，此方案虽然加固效果好但需将原管道、托架及局部屋面卸荷拆除，由于不能影响生产，故本方案不适用于本加固工程。

3.2钢托架下新增桁架方案

 采用钢托架下增加桁架的方式提高托架承载能力，但由于下部空间有限，新增的托架影响桥式吊车的正常运行；而且由于荷载变化很大，原托架构件实际应力已是承载应力的2~3倍，即使增加下部桁架也不能满足受力要求，故此方案也不适用于本加固工程。

3.3  增大托架构件截面及节点补强方案

 在不影响生产及使用空间的前提下采用加大构件截面的方式提高钢托架的承载力。在采用结构构件加大截面加固补强连接方式时，通常用焊缝连接补强（热加工）及摩擦型高强螺栓连接补强（冷加工）两种方式。冷加工补强方案优点是负荷状态下在节点板的焊缝以外钻孔，不会对结构产生大的扰动。其难度在于高空钻孔精度难以保证，作业危险性大，冷热混合连接工艺要求很高，在构件受力后，杆件与连接之间的平整度无法控制。因此采用对原托架焊缝连接方式增大构件截面加固补强方案。

4加固方案的设计

4.1  计算模型

 本工程所需加固的托架有两处，且原设计两托架杆件相同，加固方式一致，计算模型如图3、图4所示。加固前，荷载包括管道自重及风荷载；加固后，荷载包括管道自重荷载、管道内部积灰荷载及风荷载。

4.2  内力分析

 此管道为收集管道，管道荷载包括管道本身自重及管道内部积灰荷载，其中管道自重产生的管道支座荷载标准值约为110 k N，积灰荷载产生的支座荷载标准值约为220 k N;由于此管道刚投入使用，因此只考虑管道自重产生的原构件的内力。

 首先对钢屋架杆件采用PKPM中STS模块进行内力分析，计算得到的杆件内力如表1所示。

根据CECS 77: 96《钢结构加固技术规范》中构件未加固时名义应力为：

 因此可判断出工程中钢托架增大截面加固无需进行卸荷后施工。

 根据GB 50017-2003《钢结构设计规范》算式N／（φA）≤f验算杆件是否满足要求。

如5号杆件，根据GB 50017-2003得出稳定系

 钢托架中承载力不足的杆件有3、4、5、8、1 1、

13、15、16、17、18号杆件，需进行加固处理。

4.2.1受压构件的设计

 加固角钢的材质与原结构构件材质相同，即材料的强度等级f y为310 M Pa，根据CECS 77: 96中的算式进行承载力验算，满足要求即可：

式中：A n为构件加固后的截面面积；f为钢材强度设计值；ηn为轴心受力加固构件的强度降低系数；N为加固时和加固后构件所受总轴心压力；φ为轴心受压构件稳定系数。

以5号杆件为例，轴心受力加固构件强度降低

 补强构件选用2L90 x10十字组合对原构件进行加固，Ix= 764 x 104mm4；Iy1= 408×104 mm4，查GB 50017-2003得出稳定系数φ=0.751。根据式(2)可得：155 M Pa<0.72×320=223.2 M Pa满足要求。

 桁架腹杆的加固截面见图5，下弦杆加固截面见图6。

4.2.2受拉构件的设计

 选择加固角钢型号，根据CECS 77：96中计算式：

式中：f为截面中最低强度级别钢材的强度设计值，满足要求即可。

 

4.2.3节点设计

 根据原有钢托架各杆件原有构造形式、尺寸及构件型号建模计算各杆件承载力情况，设计新增角钢的连接位置及方式。新增补强角钢设置于原角钢承载力不足的角钢位置且对称布置，紧贴原构件，为便于施工，合理设计新增角钢与原构件距离便于焊接。在节点板处，根据计算得出新增角钢所需焊缝长度，对原钢屋架尺寸偏小的节点板加大，同时新增的双面角钢间设置填板，新增填板与原填板相互错开；使新增加角钢与原构件共同作用，受力明确。主要节点做法见图7。

5  结束语

 采用增大构件截面的方法可以满足厂房正常使用的前提下加固补强管道钢托架。对于钢结构厂房屋面构件的加固设计必须根据现场条件及使用要求，选择合理加固方法，以满足使用需求。补强后的钢托架能够满足管道荷载增大的承载力要求。