泉港钢结构加工厂抽柱改造方...—以泉港某厂房改造项目为例_洪晓晖.pdf

2023 年第 06 期总第 300 期福 建 建 筑Fujian Architecture&ConstructionNo 062023Vol300泉港钢结构加工厂抽柱改造方案探析 以泉港某厂房改造项目为例洪晓晖 林文凯(福建建工装配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001)摘 要:以泉港某厂房改造项目为前景,着重分析在已建厂房进行抽柱对结构所造成的影响,提出加固改造方案,通过3D3S 软件分析结构的强度及变形,并采用有限元分析软件 SAP2000 进行施工过程分阶段模拟,并对施工工序进行设计。本项目现场已施工完成,外观效果良好,结构监测安全。实践证明,该结构加固方式能够满足变形控制要求,结构可满足强度及稳定性要求,并充分考虑了结构安全性与施工可行性,对此类结构改造项目具有一定的参考价值与借鉴作用。关键词:钢结构;抽柱;门式支撑;施工模拟中图分类号:TU3 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2023)06-0064-05Discussion on the design scheme of the column extraction transformationof the workshop with portal frame structure Take a workshop renovation project in Quangang as an exampleHONG Xiaohui LIN Wenkai(Fujian Construction Engineering Prefabricated Building Research Institute CO.,ltd.,Fuzhou 350001)Abstract:Taking the renovation project of a factory building in Quangang as the prospect,this paper focuses on analyzing the impact of col-umn extraction on the structure of the existing factory building,proposes a reinforcement and renovation plan,analyzes the strength and de-formation of the structure using 3D3S software,and uses finite element analysis software SAP2000 to simulate the construction process instages,and designs the construction process.The construction of this project site has been completed,with good appearance and safe struc-tural monitoring.Practice has proven that this structural reinforcement method can meet the requirements of deformation control,strengthand stability,and fully considers the safety and construction feasibility of the structure.It has certain reference value and reference valuefor such structural renovation projects.Keywords:Steel structure;Pumping column;Portal support;Construction simulation作者简介:洪晓晖(1972.02-),男,高级工程师。E-mail:997258780 收稿日期:2023-04-170 引言随着我国工业水平不断进步,机械化程度日益提高,原有厂房的柱网及结构布置已不能满足工艺及设备要求,需要对原有结构进行抽柱改造,使其满足使用要求。结构柱作为整体结构的主要承重构件及抗侧力构件,特别对于门式刚架结构这种对风荷载敏感且跨度大的单榀计算模型结构,尤为重要。因此,如何在局部抽柱的前提下,保证结构主体安全以及满足未来使用要求,正是我们要讨论的问题。1 工程概况泉州市泉港区某工业设备安装生产基地 1 号钢结构厂房项目,总建筑面积 16 140.6 m2,建造于 2011年,结构形式为多跨单层门式刚架带吊车,钢结构跨度为:24 m+24 m+24 m+27 m+27 m+27 m+22 m,柱距为6 m,行车吨位10 t 50 t,墙面与屋面采用压型彩钢板,檐口高度为 12 m,结构基础形式采用独立基础。2023 年 06 期 总第 300 期洪晓晖,林文凯泉港钢结构加工厂抽柱改造方案探析65 本工程建筑抗震设防类别为丙类,地震设防烈度为 7 度,设计基本加速度为 0.10 g,设计地震分组为第三组,场地类别为类,特征周期为 0.45 s,阻尼比为 0.05。50 年一遇的基本风压为 0.75 kN/m2,地面粗糙度为 B 类,设计使用年限为 50 年。本工程改造的内容如下:原有抽柱位置进行复核加固:该厂房原为钢结构加工生产线,现改造为钢构件喷漆房、喷砂房,房间功能主要是对生产线生产的大型钢箱梁进行防腐处理,并通过大型液压平板车进出运输。大型液压平板车含运输构件最小通过宽度约为 7 m,原有柱距为 6 m,不满足运输宽度要求。因生产工期赶,将 1 轴交 F 轴处的柱子进行拆除,并在抽柱位置进行加固。本次设计需对原有加固结构进行复核,如不满足则针对现场实际情况,提出加固方案。改造前后的一层建筑平面图如图 1 图 2 所示,抽柱后,现场实际图片及结构计算简图如图 3 图 4所示。图 1 一层建筑平面布置图(改造前)图 2 一层建筑平面布置图(改造后)图 3 原有结构图片图 4 原有结构计算简图2 原结构复核2.1 模型建立结构分析采用有限元分析软件 3D3S,进行三维有限元计算,屋面荷载按原设计的恒载 0.2 kN/m2;活载 0.3 kN/m2,基本风压0.75 kN/m2,并按照门式刚架轻型房屋钢结构技术规范1进行风荷载计算取值。结构材料按线弹性考虑,原设计采用单榀门式刚架模型进行分析,结构计算模型如图 5 所示,现场改造的现有结构由于局部抽柱,在钢柱面外采用交叉撑将荷载传至两侧钢柱上,F 轴两侧柱子承受平面外弯矩作用,为双向受弯构件。因此,采用三维空间模型进行分析,钢柱采用钢结构设计标准2规范进行验算。图 5 结构模型66 福 建 建 筑2023 年2.2 结构受力、变形分析2.2.1 原结构计算分析与构件设计结果经建模分析,原结构在抽柱位置的柱底力 Nx=70 kN,Ny=0 kN,Nz=56 kN,Mx=70 kN,My=170kN m,Mz=0 kN m,竖向力不大,但是面内的弯矩较大。内力计算分析及构件设计验算得到如下数据结果:(1)结构柱顶位移角:左风下为 1/61;(2)构件承载力(应力比):柱底交叉撑的应力比为 1.78,柱顶原有两根柱间水平系杆稳定应力比为 3.1;(3)屋面梁挠度:1/118。2.2.2 原结构加固方式存在的问题通过上述结果,分析得到原结构加固方式存在以下几个问题:(1)将 F 轴交 1 轴的柱拆除,通过交叉撑形式传给 G 轴与 E 轴柱上,竖向力作用下,交叉撑构件承载力无法满足设计要求;(2)门式刚架柱承受竖向力外,还需作为抗侧力构件传递水平风荷载,此时的水平风荷载没有办法有效传给两边柱子,导致结构柱顶位移较大,接近规范规定结构位移限值(H/60)2。(3)柱底支撑刚度不足,导致结构梁挠度过大,超过规范规定梁挠度限值(L/180)2。综上所述,遇到抽柱问题,此方法不能作为有效的结构加固手段,而应采取更为稳妥、安全的方式进行加固。3 结构加固改造设计工业建筑的美学精髓在于结构。因此,在对这类建筑进行改造时,要强调结合自身结构状况及后期的功能定位,进行针对性处理。合理的结构加固方案,其特点在于体系合理、受力简单、有规律性3。针对现场改造的加固方式复核分析,需要解决抽柱位置竖向力的传递、抽柱位置水平风荷载的传递、复核原有基础,原有结构钢柱是否满足要求等问题。经过多种方案对比分析计算模型,采取如下方案进行加固。(1)通过设置柱间门式支撑,将柱底竖向力传至基础,使得结构传力途径明确、可靠,且对两边柱子的影响较小,受力简单直接,如图 6 图 7 所示。(2)在柱底设置水平 H 型钢,并把 H 型钢梁沿中性轴旋转 90,以抵抗上段柱的水平力,使其传至两侧柱子上,对原有两侧柱子平面外稳定应力进行复核。图 6 现场按设计方案加固后图片图 7 现场设计方案计算简图(3)对原有基础进行复核,保证其能作为斜撑的支座。3.1 模型建立针对本次提出的加固方案,建模计算分析,结构局部抽柱,在钢柱面外设置门式支撑,采用三维空间模型进行分析,结构模型如图 8 所示。图 8 结构模型2023 年 06 期 总第 300 期洪晓晖,林文凯泉港钢结构加工厂抽柱改造方案探析67 3.2 结构受力、变形分析经建模内力计算分析及构件设计验算,得到如下数据结果:(1)结构柱顶位移角:1/272;(2)构件承载力(应力比):柱底门式支撑的应力比为0.25,柱顶原有两根柱间水平系杆稳定应力比为0.17;(3)屋面梁挠度:1/208。通过采取上述方案进行加固后,分析上述数据,得到以下结论:通过斜撑,将竖向力直接导入基础,使结构竖向荷载下的变形得到显著改善。通过增设水平钢梁与斜撑,沿中性轴旋转 90承受水平风荷载,使结构在水平荷载下的变形也得到显著改善,结构变形得到有效控制,结构刚度也随之提高,应力比大幅度减小。经3D3S 软件构件设计,按钢结构设计标准2验算构件的强度及稳定性,能满足标准要求。因此,此结构加固方案可适用本项目及类似结构抽柱项目。4 施工步骤模拟本项目为改造工程,先对原结构设置临时支撑,进行部分构件拆除,再新增杆件,施工过程加载卸载工序复杂,采用常规的一次性加载进行计算不符合实际加载情况。因此,通过三维分析软件 SAP2000 进行施工模拟分析,确定施工工序以及临时支撑点的支承力,并将施工模拟分析数据作为顶升设备的顶升力,保证结构在施工过程中的安全可靠。4.1 SAP2000 施工步骤模拟建立 SAP2000 三维结构模型,选取结构单元的建立对象组,共分为 5 个对象组,如图 9 所示,接着定义分析工况数据,对各个对象组施加荷载(施工阶段,只考虑恒荷载作用),选择静力非线性结构阶段,并进行运行分析。此时就可以得出,各施工步数下,F 轴柱底支承点的竖向力及位移变化数据,如表1 所示。注:图中“+”表示增加构件,“-”表示拆除构件,例“1+”表示第一阶段增加的构件。图 9 SAP2000 模型施工过程分阶段示意图表 1 F 轴柱底五个阶段的支点反力及支点位移表(阶段一)原结构模型(阶段二)原结构现场加固模型(阶段三)拆除交叉支撑阶段,并增加反力支架(阶段四)钢柱面外增设门式支撑(阶段五)钢柱面外增设横向钢梁支点反力(kN)31.617.0918.004.2支点位移(mm)0.0015.091.011.301.354.2 施工步骤设计经过 SAP2000 试算,结构在上述施工过程模拟后,其变形及竖向力各阶段变化基本符合前期设想。所以,将通过软件计算得到的 F 轴柱底 5 个阶段的支点反力与支点位移,作为后期反力支架的竖向顶升力。以下是实际施工的步骤流程:(1)先加固 E 轴、G 轴基础并预留埋件,达到设计要求后方可继续施工;拆除 E G 轴间的墙面与檩条,在 F 轴钢柱下方采用反力支架顶紧;拆除原有结构交叉支撑杆,并将 F 轴柱