种道坦 李新泰

(山东省建筑科学研究院，山东济南 250031)

0 引言

门式刚架结构以其用钢量少、重量轻、造价低、安装方便、土建施工量小等优点得到了广泛应用。因该结构施工过程中盲目减小钢构件截面尺寸、施工质量差，使得该结构类型安全储备偏低，抵抗风载雪灾等偶然荷载的能力较差［1］。应严格遵守建设规律，确保结构生命周期内的安全。

1 工程概况

该工程为单层单跨双坡轻型门式刚架结构，建筑高度约为11．7 m，建筑长度约为78 m，建筑宽度约为30 m，建筑面积约为2 340 m2，屋面为彩钢板屋面，1．2 m标高以下围护结构为砌体结构，1．2 m标高以上围护结构为彩钢板，柱列间距均为6．0 m，跨度为30．0 m，平面布置示意图见图1。基础采用钢筋混凝土柱下独立基础。该工程屋面横向水平支撑布置于②轴～③轴间、⑫轴～⑬轴间，各为四道“X”形圆钢;柱间支撑分别布置于纵向柱列上的②轴～③轴间、⑫轴～⑬轴间;屋面檩条共布置22道，檩条间距为1．5 m，檩条中点处采用一道拉条拉结，屋面拉条端部及屋脊处未设置斜拉条及刚性撑杆、局部屋面直拉条未设置;屋面系杆仅通长布置于边柱柱顶，屋脊处未布置屋面刚性系杆;该工程未设置隅撑。墙梁沿高度方向共设置7道，山墙抗风柱间墙面局部增设一道墙梁，墙梁间均未设置墙面拉条。

图1 某轻钢厂房平面布置示意图

2 现场检测

2．1 钢柱垂直度

依据CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012版)第8．2．8条规定:“柱轴线垂直度单层柱≤10 m时，允许偏差为10 mm，＞10 m时，允许偏差为20 mm。”现场对该钢结构车间钢柱垂直度进行了随机抽查检测。结果表明，该工程所检钢柱的垂直度符合规范的要求。

2．2 构件尺寸及连接

钢柱截面尺寸为H500×250 mm×8 mm×10 mm;各段钢梁截面尺寸为 H(670～350)×175 mm×6 mm×9 mm，H350×175 mm×6 mm×9 mm，H(350～670)×175 mm ×6 mm ×9 mm;抗风柱截面尺寸为H300×150 mm×6 mm×8 mm;屋面水平支撑及柱间支撑截面尺寸为φ20钢筋;屋面系杆截面尺寸为φ88 mm×3．0 mm钢管;屋面檩条截面尺寸为 C140×50 mm×20 mm×2．5 mm冷弯薄壁型钢;屋面拉条截面尺寸为φ10圆钢。

该工程所检刚架梁柱及梁梁节点均采用端板竖放的连接形式，梁柱节点由10M20高强螺栓连接，除屋脊处梁梁节点由10M20高强螺栓连接外，其余梁梁节点均由8M20高强螺栓连接;刚架柱脚螺栓为4M24螺栓，抗风柱柱脚螺栓为4M24螺栓，柱脚螺栓螺母数量均为单螺母。

2．3 焊缝质量

依据GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范和GB 11345-1989钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级，现场随机抽取部分钢构件的焊缝对其外观质量进行检测，焊缝较饱满，并现场对钢构件焊缝进行了超声波探伤随机抽查检测［2］。经检测，现场所检钢构件焊缝的内部缺陷评定等级符合质量等级二级的要求。

2．4 高强螺栓施工扭矩检验

依据GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范采用扭矩检验法对节点连接处高强螺栓的终拧扭矩进行检测，得到高强螺栓终拧扭矩的实测值。经检测，所检节点连接处高强螺栓的终拧扭矩实测值与施工扭矩值的偏差为7．5%～22．4%，部分节点连接处高强螺栓的终拧扭矩不符合GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范附录B．0．3中规定实测扭矩值与施工扭矩值的偏差在10%以内的要求［3］。

2．5 现场检测分析

该工程支撑体系布置检查中发现以下与CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012版)要求不符之处:未设置屋面隅撑;屋面拉条端部及屋脊处未设置斜拉条及刚性撑杆;柱间支撑布置间距为54 m(超出30 m～45 m范围);屋盖横向支撑在第一开间的相应位置未设置刚性系杆;屋脊处未布置屋面刚性系杆;未设置墙面拉条及斜拉条;构件表面涂层局部脱落，钢构件部分锈蚀。

3 复核验算

3．1 荷载取值

该工程屋面采用彩色钢板，屋面恒荷载标准值取0．20 kN/m2，屋面活荷载标准值按CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012 版)中3．2．2 条规定［4］取0．3 kN/m2，屋面檩条活荷载按 0．50 kN/m2，基本风压按 0．40 kN/m2，基本雪压按0．30 kN/m2取值。

3．2 验算条件及结果

依据GB 50011-2010建筑抗震设计规范、GB 50017-2003钢结构设计规范和CECS 102∶2002门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012版)进行验算。该工程按7度(地震加速度0．15g)第一组进行抗震设防，场地土类别按Ⅲ类。验算时结构布置、构件尺寸按实测值，主刚架钢材牌号按Q235取值，其他钢材按Q235取值。所有的结构布置按现场实测结果，采用中国建筑科学研究院PKPM钢结构计算软件，由计算机形成该工程的结构模型进行验算。

刚架柱强度效应与抗力之比大于1．0，平面内外稳定效应与抗力之比大于1．0，各段钢梁强度效应与抗力之比大于1．0，除屋脊两侧两段钢梁外，其余梁端平面内外稳定效应与抗力之比大于1．0(见图2)，抗风柱平面内长细比大于180，檩条强度效应与抗力之比大于1．0、挠度超过规范限值，不满足CECS 102∶2002(2012版)规范的要求。梁柱节点的螺栓数量不满足使用和CECS 102∶2002(2012版)的要求。

图2 刚架柱梁应力比图（半跨）

4 加固方案选取及分析

因刚架柱梁应力比均大于1．0，抗风柱平面内长细比大于180，檩条强度效应与抗力之比大于1．0、挠度超过规范限值，需要进行加固处理。

对于主体刚架柱，宜采用加大截面法，具体加固方案有:外包混凝土增大截面和外焊钢板(型钢)增大截面。由于前者需要在型钢柱周围设置模板，浇筑混凝土以增大截面来提高承载能力。但由于施工程序复杂、周期长、边柱无法架设模板、影响生产等因素，造成该加固方案并非最优方案，并且柱外浇筑混凝土后形成组合构件，结构体系发生变化。外焊钢板(型钢)原构件的连接可采用焊接、螺栓连接、铆接等，该方案有利于施工，施工周期短，可明显提高钢柱承载能力及刚度［5］。因钢柱外焊钢板需要切割钢板，现场切割工作量较大，宜采用标准规格的型钢。

根据式(1)［6］，钢柱采用外焊接槽钢［24进行加固处理，其中平面外稳定通过减少钢柱平面外计算长度处理(在5．0 m标高处沿纵向柱列及山墙柱间设置柱间水平支撑(φ114×3．0钢管)，端部采用2M16螺栓连接)。

式中:Wnx——加固后整个构件的净截面抵抗矩;

An1——加固件的净截面面积;

k——加固折减系数，偏心受力构件及受弯构件取0．9。

刚架梁通常采用增大截面尺寸的方法进行加固，一般采用外焊钢板或利用钢板增大梁高的办法提高梁的承载能力和刚度。前者对于提高梁承载能力和刚度的幅度不如后者明显，但后者影响房屋净空而可能受限制。根据式(2)［6］，本工程采用的加固处理方式为:沿钢梁全长在上翼板下侧及下翼板上侧的腹板两侧分别与腹板及翼板焊接L75×8角钢，采用角焊缝，焊角尺寸为6mm(如图3所示)。

式中:φx——加固后构件在弯矩作用平面内的轴心受压构件的稳定系数;

βmx——等效弯矩系数;

NEx——加固后构件的欧拉临界力，NEx= π2E(A0+A1)/λ2x。

屋面檩条的加固可采取檩条间均匀增加一道檩条及檩条槽口对槽口连接的加固方案。前者增设檩条及隅撑后可有效减少檩条受荷面积，隅撑、檩托数量相应增加，后者双檩条受荷面积、隅撑及檩条数量没有增加。本工程采用的加固方式为:新增屋面檩条上部用自攻螺钉与屋面板连接，端部采用2M12螺栓与钢梁檩托板连接，自攻螺钉及檩托板形式与原有自攻螺钉及檩托板相同(见图4)。

图3 刚架梁加固方案

图4 屋面檩条加固方案

梁柱节点及梁梁节点的加固方案可采取栓焊连接、增设加劲肋、更换螺栓直径等方式。在节点围焊现场施工不便，焊接质量不容易保证。增设加劲肋受构件截面形状限制。本工程采用的加固方案为:采用机械扩孔的方式将中和轴以上的所有M20高强螺栓孔扩成M24高强螺栓孔(孔径为26 mm)，并更换成10．9级M24高强螺栓(见图5，图6)。

图5 梁梁节点处理方案

图6 梁柱节点处理方案

5 处理措施和建议

针对该工程存在的问题，为保证结构的安全和整体稳定，除上述加固及处理措施外，提出以下处理措施和建议:

1)增设屋面隅撑，对应每道屋面檩条位置均布置一对屋面隅撑，屋面隅撑采用L50×5．0 mm等边角钢，端部采用M12螺栓与钢梁及屋面檩条连接;

2)屋面拉条端部及屋脊处增设斜拉条(φ12圆钢)及刚性撑杆(φ32 ×3．0 mm 钢管);

3)柱间支撑应采用φ20圆钢双层设置，⑦轴～⑧轴间增设柱间支撑(φ20圆钢双层设置)以及屋盖横向支撑，以组成几何不变体系。屋盖横向支撑应采用φ20圆钢，形式同②轴～③轴及⑫轴～⑬轴间屋盖横向支撑;

4)屋脊处应全长增设屋面刚性系杆，屋盖横向支撑间增设屋面刚性系杆，并在第一开间中相对应于第二开间屋盖横向支撑位置增设屋面刚性系杆。增设的屋面刚性系杆均采用φ114×3．0 mm钢管，端部采用2M16螺栓连接;

5)纵向柱列墙梁中点处应设置墙面拉条(φ12圆钢)，山墙墙梁三分点处应设置墙面拉条(φ12圆钢)，在最上层墙梁处应设斜拉条(φ12圆钢)及刚性撑杆(φ32×3．0 mm钢管);

6)在5．0 m标高处沿纵向柱列及山墙柱间设置柱间水平支撑(φ114×3．0 mm钢管)，端部采用2M16螺栓连接;

7)柱脚螺栓均增设一个止退螺母，形成双螺母;

8)重新施拧节点高强螺栓，使之达到验收规范要求;

9)构件表面涂层脱落及锈蚀处重新涂刷防腐涂料，涂层干漆膜的总厚度应达到125μm。

6 结语

1)门式轻钢结构抵抗风载雪灾等偶然荷载的能力较差，安全储备低，不应盲目减少构件截面尺寸，给结构带来安全隐患。

2)施工质量影响门式刚架结构刚度的形成和强弱，应加强施工监管，确保施工过程中及使用阶段能形成稳定的空间体系。

3)钢结构加固方案的选择应考虑施工程序程度、结构使用限制、经济性分析、满足承载能力和刚度要求等方面。本文采用的加固方案已用于多个工程，目前使用状况良好。

［1］陈友泉，魏潮文．门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义［M］．北京:中国建筑工业出版社，2009:142-152．

［2］GB 11345-1989，钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果的分级［S］．

［3］GB 50205-2001，钢结构工程施工质量验收规范［S］．

［4］CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程(2012版)［S］．

［5］贺 剑．门式刚架轻钢结构厂房的鉴定与加固方法研究［D］．上海:同济大学，2008:52-54．

［6］YB 9257-96，钢结构检测评定及加固技术规程［S］．