陈庚俊

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉430063）

0 引言

钢屋架作为一种常用的大跨度轻型屋面结构形式，具有自重轻、施工速度快、造价低廉等优点，在20世纪八九十年代时大规模应用于工业和民用建筑中。随着时间的推移，很多轻型屋面漏水问题严重，尤其是应用于民用建筑中的钢屋架，因承载能力有限难以满足业主日益增加的各项荷载要求。对于屋面荷载要求变化较大的钢屋架结构，采用何种有效方式进行加固，以保证其承载力和变形满足要求是值得研究的问题。本文以某宴会厅大跨度钢屋架改造加固工程为例，介绍了改变受力路径加固设计方法的应用。

1 工程概况

本工程建于1992 年，总建筑面积为21 500 m2，主楼19 层，裙楼5 层，大屋面结构高度为75.10 m。本工程结构体系为现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构，其中大跨度宴会厅位于裙楼第5 层，该宴会厅屋面结构采用18.8 m 跨度的单向钢屋架，两榀钢屋架间距为7.2 m，屋面为预制混凝土盖板结构，宴会厅屋面结构布置如图1 所示。整个屋面结构系由纵向钢屋架、横向3榀支撑、檩条等组成，钢屋架铰接于两端混凝土柱牛腿及剪力墙牛腿上。

图1 宴会厅原屋面结构布置Fig.1 The Layout of the Original Roof Structure of the Banquet Hall

因大跨度钢屋架屋面结构在长期使用后，出现屋面严重漏水等问题，业主拟翻新宴会厅的屋面，并重新安装设备管道及吊顶。同时业主要求保证宴会厅钢屋架交叉节点处吊挂荷载能满足宴会功能要求（按集中力1 kN 设计）。综合考虑屋面荷载增加较多，为此需对原钢屋架结构进行复核计算，并根据计算结果进行改造加固，保证改造后的钢屋架屋面能满足屋面荷载以及悬吊荷载的要求。

2 结构分析模型建立

2.1 荷载取值

2.1.1 竖向荷载

宴会厅屋面结构上的竖向荷载主要有恒荷载和活荷载2种，恒荷载（不包含结构自重）计算如下：屋面建筑做法重量为2.5 kN∕m2，屋面下设备管道及吊顶重量为0.7 kN∕m2，4个下弦节点处吊挂荷载各为1 kN；活荷载计算如下：不上人屋面荷载为0.5 kN∕m2，本工程所在地区基本雪压为0.4 kN∕m2，根据《建筑结构荷载规范：GB 50009-2012》［1］考虑高低屋面的影响，确定其屋面积雪分布系数为2，取本工程雪荷载标准值为0.8 kN∕m2，不上人屋面荷载与雪荷载不同时考虑。

2.1.2 地震作用

本工程抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为6度，基本加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地，特征周期为0.35 s。钢结构抗震构造措施按四级抗震要求考虑。

2.1.3 温度作用

本工程所在地月平均最高气温为36 ℃，月平均最低气温为-4 ℃，拟定钢结构合拢温度为（20±5）℃，故结构最大升温工况为+21 ℃，结构最大降温工况为-29 ℃。

2.2 结构构件截面

宴会厅原钢屋架构件截面及材料如图2 和表1 所示，钢屋架构件尺寸如图3所示。

图2 原钢屋架构件编号Fig.2 Numbering of Original Steel Roof Truss Parts

表1 原钢屋架构件材料Tab.1 Material of Original Steel Roof Truss Parts

图3 原钢屋架构件尺寸Fig.3 Dimensional of the Original Steel Roof Truss

2.3 计算模型

宴会厅钢屋架两端铰支于主体结构框架柱及剪力墙牛腿上，为简化计算，原有屋架采用PKPM 进行单榀分析，验算原有钢屋架是否满足承载力要求。然后根据选择的加固方法，采用三维分析软件SAP2000对屋面结构进行建模计算分析。

3 原钢屋架核算

对于改造加固工程，需按文献［2］对原钢屋架进行验算分析。原钢屋架构件钢材为3 号钢，检测报告表明现场查看钢屋架构件无明显锈蚀，故不考虑钢材强度的折减。该钢屋架验算时主要考虑的荷载工况［1］如下：①恒荷载+满跨活荷载；②恒荷载+左半跨活荷载；③恒荷载+右半跨活荷载；④恒荷载+活荷载+地震作用；⑤恒荷载+活荷载+温度作用。各工况取包络值后的计算结果［2］如表2所示。

表2 原钢屋架构件内力及应力比Tab.2 Internal Force and Stress Ratio of Original Steel Roof Truss Components

在恒荷载及活荷载的共同作用下部分杆件的稳定应力比和强度应力比超过1.0，超过规范限值要求，表明钢屋架承载能力不满足所需要求。为满足业主要求改造屋面并保证结构的安全，有效提高钢屋架的承载能力，需要对原钢屋架结构进行加固处理。

4 钢屋架加固方案的选择

依据《钢结构加固技术规范：CECS 77：96》［3］，并结合本工程的实际情况，在方案比选阶段提出3 种加固设计方案：①采用角钢上粘贴钢板加大构件截面法，增大角钢强度和刚度，提高构件承载力及稳定性能；②采用角钢焊接型钢加大构件截面法，改变构件截面类型提高构件承载力及稳定性能；③改变受力路径法，利用原屋面的型钢檩条，在原钢屋架的垂直方向新增两榀钢屋架，使原先的单向受力形式改为双向受力形式，大大增加结构的刚度和承载能力［4-9］。

采用方案①，加固工作量较少，操作较为方便。但是粘钢加固时，旧钢屋架表面除锈后难以打磨，影响粘贴钢板的效果。而且旧钢屋架构件的截面较小，可粘钢面积较小，经计算对构件的实际承载力提高较小。

采用方案②，在原有杆件焊接容易引起焊缝应力，对原有钢屋架受力性能产生不利影响。焊接型钢后，改变了构件截面类型，相应的会改变构件的形心，引起构件受力偏心从而产生偏心弯矩，对构件的受力状态有一定影响。

采用方案③，单向受弯的单向钢屋架转变为双向受弯的双向钢屋架，新增钢屋架与原钢屋架共同受力，结构承载能力得到较大提高，结构冗余度增加。

经对比分析，因本工程新增荷载较多，经计算分析表明改变受力路径方案更适用于本次加固改造。采用此方案的主要设计难点在于新增钢屋架的支座节点设计、新增钢屋架与原钢屋架连接节点设计。

5 钢屋架加固方案的设计

新增钢屋架上弦利用原结构檩条（工字钢40c），下弦为宽翼缘H 型钢（HW200×200）置于原钢屋架下弦以下，腹杆采用双角钢与上下弦杆连接，双向钢屋架布置如图4所示。

图4 双向钢屋架布置Fig.4 Layout of Two-way Steel Roof Truss

采用PKPM 分析软件中STS模块对原钢屋架杆件进行内力分析，计算得到的杆件内力如表1 所示。根据文献［3］中构件未加固时名义应力：

式中：σ0max为加固前原结构构件的最大应力；fy0为原构件钢材的屈服强度标准值，满足上式要求可进行不卸荷焊接加固。

计算结果表明对原钢屋架进行加固改造前，需要卸载原有荷载，为此拆除原有预制混凝土盖板，重新采用组合楼盖作为新的屋面板。利用原有工字钢檩条形成新的主次梁布置，然后浇筑闭口型压型钢板。

采用SAP2000 计算程序对新的双向屋架屋面结构进行分析，分析所得各杆件最大应力比值如图5 所示。其中原钢屋架所有杆件中，应力比最大的杆件为端部的斜腹杆，其应力比为0.817，满足规范要求。新增钢屋架所有杆件中，应力比最大的杆件为端部上弦杆，其应力比为0.836，亦满足规范要求。

图5 双向钢屋架应力比Fig.5 Stress Atio of Two-way Steel Roof Truss

6 关键节点设计

由于新增钢屋架需要与原有框架柱和剪力墙进行连接，考虑到大跨度钢屋架在水平荷载下的滑移，采用新增钢牛腿作为支座来搁置钢屋架下弦杆的节点设计，节点详图如图6所示，其中钢屋架一端在钢牛腿上固定，另一端采用长螺栓孔保证在钢牛腿上滑动。

图6 新钢屋架与原框架柱连接节点Fig.6 The Joint between the New Steel Roof Truss and the Original Frame Column

为保证新增钢屋架与原钢屋架共同协调受力，两个不同方向钢屋架相交处的节点设计必须起到相应的作用。新增钢屋架上弦利用原檩条形成，檩条连接处位于钢屋架相交处，因此檩条采用节点板进行刚性连接，并用较大的节点板与原钢屋架上弦节点板焊接。新增钢屋架下弦置于原钢屋架下弦以下，托住原钢屋架，采用较大的节点板与原钢屋架下弦节点焊接，节点做法如图7所示。

图7 新旧钢屋架下弦连接节点Fig.7 Lower-string Connection Nodes of Old and New Steel Roof Trusses

7 新增钢屋架施工注意事项

⑴加固前，搭设防坠落支撑措施，拆除原屋面做法及预制板，钢屋架底根据现场条件设置施工支撑。

⑵在原钢屋架下弦各节点处增设临时支撑卸载结构构件自重并适当反拱，根据原有结构构件自重计算各个千斤顶施加的顶力不超过6 kN，保证施工过程中原有钢构件应力比不超过0.55［10］。

⑶对所有加固节点进行检查验收，所有焊缝按规范要求进行外观及探伤检查。

⑷新增钢屋架与原屋架焊接完成、各支座节点施工完成并通过验收后，铺设组合楼板并浇筑。

⑸待楼板混凝土强度达到100%后，各下弦节点临时支柱千斤顶对称均匀卸载，并放置在原位。观测钢屋架的变形，观测时间不得少于36 h，待变形稳定后方可完全拆除支撑。

8 结语

⑴对于单向受弯的钢屋架屋面结构，通过采用改变受力路径的方式进行加固，将单向受弯钢屋架转变为双向受弯钢屋架，较大地增加了结构刚度和承载力。

⑵新旧钢屋架通过采用可靠的节点连接及有效的施工措施，可以保证变形协调，协同受力，从而使得结构能满足承载力和变形的要求。

⑶采取有效的施工措施，合理的施工顺序是保证新旧钢屋架共同受力的关键，在加固改造设计过程中，须考虑施工过程中的各项影响。