钢屋架建筑五篇

钢屋架建筑 篇1

1 钢屋架建筑的结构形式

按建筑结构形式钢屋架建筑的屋架可分为三角形屋架、梯形屋架、两铰拱屋架、三铰拱屋架、矩形 (也称平行弦) 屋架等。钢屋架建筑的屋架采用何种形式主要取决于房屋的使用要求、屋面材料以及屋架与柱的连接方式 (铰接或刚接) 。

钢屋架建筑主要应用于工厂、仓库、商场、市场等场所, 它可以采用单跨、多跨形式。多跨钢屋架建筑可以是等高或不等高。钢屋架建筑的柱子常用的有三种形式: 承重砖柱、混凝土柱、钢柱。

2 钢材在火灾中的变化

钢材的强度在0～250 ℃温度范围内基本没有变化, 而在250 ℃左右还略有增加, 在300 ℃以上强度开始下降, 500 ℃时强度只有原来强度的1/2。600 ℃时为原来强度的1/6～1/7, 强度几乎殆尽。因此, 火场上钢构件大幅度变形塌落, 表明那里经过500 ℃以上的高温, 并且说明钢材被火焰作用的时间在15 min以上。一般受热时间早、受热温度高的部位容易先失去强度而变形大。可通过鉴别钢材的变形程度和变形特征, 判断出火场中哪里受温最高、是最先起火的部位。

3 单层钢屋架建筑火灾现场勘查

火灾中的建筑倒塌是指某些建筑构件受到火灾作用后, 失去静止平衡状态, 在力的作用下, 其位置发生移动、转动, 落在新的位置上的物理现象。火灾中钢屋架建筑的倒塌分为局部倒塌和整体倒塌, 但无论是怎样倒塌, 都是一部分一部分的倒塌, 一般不会一次性全部倒塌。钢屋架建筑倒塌后, 在火灾中由于其整体连接性好, 受灭火影响位置变动较小。现场勘查中应按下述步骤进行。

3.1 通过观察屋面倒塌形状判断起火部位

许多钢屋架建筑的屋面是由不燃材料彩钢板或镀锌铁皮制成, 火灾后仍能较完整的保存在现场, 且其位置在屋架塌落后不再变化, 而不像木屋架建筑火灾后, 受灭火及其它因素影响, 屋顶塌落物体位置变动较大。钢屋架建筑火灾中屋面的倒塌形状常见的有U形、斜面形和堤坝形, 即“ ”。单层钢屋架建筑火灾, 如果建筑内的物品较多, 且较高, 屋顶两侧出现相向倒塌时常常形成U形屋面倒塌形状 (见图1所示) , 其特征是横梁与两侧柱仍然连接在一起。斜面形屋面倒塌形状是由于火灾发生在靠近建筑物一侧形成的 (见图2所示) 。钢屋架建筑起火后, 先被烧的部位由于靠近建筑物的一侧, 导致横梁与柱的连接点先失去强度, 变形脱落形成斜面形屋面倒塌形状。在多跨建筑中, 若发生大面积倒塌, 屋面既有斜面形倒塌形状, 又有U形倒塌形状, 则火灾发生的部位肯定在U形屋面倒塌建筑中。因为若是某一跨建筑的屋面首先出现斜面形倒塌形状, 在火灾蔓延过程中, 大火应首先烧到起火跨与相邻跨共用的柱边。这个共用的柱与相邻跨横梁的连接点, 首先在高温作用下失去强度出现脱落, 而在此种情况下屋面的倒塌形状肯定是斜面形倒塌, 而不会出现U形屋面倒塌形状。所以屋面既有斜面形倒塌形状, 又有U形倒塌形状, 火灾发生的部位肯定在U形屋面倒塌建筑中。堤坝形屋面倒塌形状常常是由于横梁在柱的一侧支座处脱落或钢屋架建筑屋面斜面形倒塌后火灾继续向未脱落一侧蔓延形成的 (见图3所示) 。

3.2 根据钢柱倾斜方向和倾斜程度判断起火部位

火灾现场中钢柱由于受到高温作用失去承重, 在屋顶钢梁的拉力和自身重力的作用下, 向失去承重的一方倾斜, 钢柱倾斜的方向指示着火势蔓延的方向。其次, 建筑中两侧钢柱在火灾中由于受到高温作用时间长短不一, 弯曲变形的轻重程度不同, 通过观察柱的变形轻重程度, 可以判断出火灾从哪一部分先起火。一般是先起火的部分由于受到高温作用时间长变形重, 后起火的部分由于受到高温作用时间短变形轻 (见图2) 。

3.3 根据钢屋架建筑横梁倒塌方向判定起火部位

钢屋架建筑的屋架又分为有檩体系和无檩体系两种屋架。无檩体系钢屋架是由大型屋面板、屋面梁及屋盖支撑组成;有檩体系是由小型屋面板、檩条、屋面梁及屋盖支撑组成。利用横梁倒塌方向来判定起火方向是钢屋架建筑火灾现场勘查的难点。一根钢柱如果不和其他物体相连, 在火灾中受高温作用影响, 其倒塌方向必然是向着起火方向, 但在建筑结构中, 由于建筑构件相互连接, 在火灾中, 这些连接的建筑构件整体重心常常发生变化, 所以其倒塌方向就比较复杂。

无檩体系钢屋架建筑横梁倒塌方向现场勘查比较简单, 横梁的倒塌方向就是起火方向。以横梁两侧支撑柱为参照物, 观察柱上的横梁塌落后所处位置, 根据其偏移方向来判定, 偏移方向就是起火方向。例如一栋单层三角形钢屋架的建筑, 假定第四排钢屋架横梁首先被烧, 造成局部屋顶塌落。第四排横梁由于失去承重在重力的作用下必然倒向起火方向, 即:若横梁倒向柱的右边, 则右边就是起火方向;若横梁倒向柱的左边, 则左边就是起火方向。随后第三、第五排横梁在火灾作用下也会失去承重, 在重力影响下, 向火灾蔓延方向倒塌, 形成横梁整体向起火方向倒塌的痕迹。

有檩体系钢屋架建筑要根据横梁和檩条的连接点是否断开分析横梁在火灾中倒塌情况, 进而判断火灾的起火部位。有檩体系钢屋架建筑横梁倒塌方向分为三种情况, 第一种情况是横梁倒塌时, 横梁与两侧檩条连接良好;第二种情况是横梁一侧的檩条全部断开;第三种情况是横梁与檩条一部分连接良好, 而与另一部分一侧全部断开。第一种情况是檩条与横梁连接良好, 火灾中它会在屋架的重力影响下, 向失去承重的一方倒塌, 即向起火方向倒塌 (见图4) , 其倒塌情况与无檩体系钢屋架建筑横梁倒塌情况类似。第二种情况是横梁与一侧檩条全部脱落, 与另一侧檩条连在一起, 形成一体。而这个一体由于其重心在另一侧檩条上, 所以不论起火方向在哪里, 在重力作用下横梁必然向与檩条相连的一侧倒塌。也就是横梁与一侧檩条全部脱落的有檩体系建筑, 其横梁的倒塌方向与起火方向无关, 不能根据横梁的倒塌方向直接确定火灾的起火方向。第三种情况是横梁与檩条连接分成两段, 一段横梁与其两侧檩条连接良好, 而另一段横梁与其一侧檩条全部断开, 与其另一侧檩条则连接着。这种情况横梁的倒塌特点是檩条与横梁连接的一段倒向起火方向, 而有一侧断开的另一段横梁则倒向与檩条相连的一侧。由于火灾中檩条与横梁是否断开以及具体怎样断开的情况很复杂, 所以根据钢屋架建筑横梁的倒塌方向确定起

火部位比较复杂, 又因钢结构建筑的整体连接性好, 要找到起火方向, 对于有檩体系钢屋架建筑往往要进行复杂的分析。

3.4 根据横梁从柱的哪一端脱落来判定起火部位

大量火灾实践证明, 钢屋架建筑横梁的倒塌有两个特点, 一是火灾中横梁的脱落一般是在柱的支座处脱落, 而非横梁由于屋顶重量影响从中间被压断, 断裂倒塌;二是横梁脱落一般是从柱的一侧支座处脱落, 而非从柱的两边同时脱落。这是因为横梁一旦在柱的一侧支座处拉断脱落, 失去平衡, 横梁立即在力矩的作用下, 以另一侧支座为圆心落下, 这时横梁的另一侧就不会再脱落了。

横梁从柱两侧支座处同时脱落的情况很少见, 具体从柱的哪一侧支座处脱落是有规律的。由于燃烧点位置不同, 横梁受高温作用影响变形后, 在柱的两端产生的倾斜力矩大小不同, 形成力臂长的一端由于受到的力矩作用大而脱落, 力臂短的一端不脱落。很显然, 火灾的起火位置应该在横梁与柱未脱落的一侧。

根据横梁与柱脱落端的不同, 可以很容易地判断出火灾的起火部位。不过要注意的是, 屋面的倒塌形状若是斜面性倒塌则不一样。斜面形屋面倒塌的建筑, 其起火点肯定在脱落的一侧, 因为钢屋架建筑斜面形倒塌的原因是由于柱与梁的连接点在高温作用下失去强度导致横梁塌落的, 而非横梁在重力作用下, 由于力矩作用大小不同而脱落的。这两种情况屋面倒塌的原因是不同的, 一个是连接点受到高温作用失去强度倒塌的, 另一个是连接点受到横梁的力矩作用倒塌, 第二种情况其连接点的强度并未丧失, 所以要根据柱与横梁脱落情况判定起火部位, 首先要注意屋面的塌落形状, 从而根据横梁从柱的哪一侧脱落确定起火部位。

3.5 根据火灾现场中金属变色情况判断起火部位

在火灾条件下铁金属表面会发生快速的氧化反应, 产生金属氧化物锈层, 如果此时受到水流的冲击, 铁金属就会像淬火作用一样, 在其表面发生变化发青, 并使原先的氧化层剥脱。黑色薄金属表面颜色变化与温度的关系, 见表1所示。可根据火场中金属的变色情况确定该处火场的温度, 从而确定起火部位。

3.6 测定铁金属材料的剩磁协助分析火灾原因

钢屋架建筑火灾若怀疑是电线短路引起, 可利用剩磁法测定铁金属材料的剩磁协助分析火灾原因。电气线路发生短路时, 会产生巨大的电流, 使线路周围出现相当大的磁场, 铁磁材料会受到很强的磁化, 留下较多的剩磁。可以通过对电线周围的铁金属材料进行剩磁检测, 从而判断该线路究竟有没有通过电, 是否发生过短路。一般情况下, 确定电线短路的剩磁数据应在1 mT以上。

3.7 应注意救火对钢屋架建筑倒塌痕迹的影响

因为钢屋架建筑倒塌是一部分一部分的倒塌, 且从起火到倒塌有一定的时间, 而钢屋架建筑火灾一般都是大火, 消防队到达火灾现场后, 往往首先要阻止火势向周围其他建筑蔓延, 有时会人为地将一部分屋顶推倒。这样容易导致一部分钢屋架建筑火灾现场倒塌痕迹的方向性并不明显, 甚至相反, 影响火灾现场勘查工作的方向。所以, 如果火灾现场勘查中发现钢屋架建筑倒塌痕迹有些异常就要及时询问消防队, 询问其当时是怎样灭火的, 从而避免火灾现场勘查工作误入歧途。

参考文献

[1]何益斌.建筑结构[M].北京:中国建筑工业出版社, 2005.

钢屋架建筑 篇2

关键词：体内预应力钢屋架,结构设计,参数经验公式

1 引言

体内预应力钢屋架是一种新的预应力钢结构形式，文献[1]～文献[2]分析了各设计参数对结构成型过程中内力分布以及结构成型后承载力的影响。在上述研究工作的基础上，本文提出体内预应力钢屋架结构的设计思路，并给出结构关键参数的经验设计公式。

2 结构设计方法

体内预应力钢屋架结构的设计包括两个方面：一是使成型结构具有合理的预应力状态，以充分发挥材料性能，即根据预应力状态设计；二是使成型结构具有合理的承载能力，即根据承载力设计。鉴于稳定性是衡量钢结构承载能力的重要指标，本文的承载力特指稳定承载力。由于成型和加载是两个连续的过程，体内预应力钢屋架结构的设计可分为两个阶段。第一阶段是成型设计阶段，在该阶段设计的参数被称为成型设计参数；第二阶段是承载力设计阶段，在该阶段设计的参数被称为承载设计参数。

结构成型前和成型后的几何形状如图1所示。成型前需要设计的独立参数包括上弦截面尺寸A、初始跨度（上弦长度）L0，端部腹杆与上弦的夹角α，端部腹杆长度h，腹杆截面尺寸b和间距l。成型过程中结构两端刚臂部分保持整体转动，成型前后端部腹杆与上弦的夹角α不变，端部腹杆与下弦保持直角。由于结构的拱架高度相对于结构跨度较小，所以可以认为成型前下弦和成型后上弦均为圆弧。成型前后的几何尺寸满足如下关系：

式中，H0为成型前的拱架高度；H为成型后的拱架高度；L为成型后的跨度。

根据文献[2]，各参数具有如下特点：（1）上弦截面尺寸A对成型结构的预应力和承载能力均有较大影响，是体内预应力钢屋架结构的最重要参数，在设计中将其作为设计前预估的已知参数。（2）端部腹杆与上弦夹角α和初始跨度L0决定结构成型的几何形状，且对成型结构的预应力影响较大，对承载力影响不大，是体内预应力钢屋架结构所特有的设计参数，因而是成型设计参数。（3）端部腹杆长度h、腹杆的截面尺寸b和间距l对成型结构的预应力影响较小，对结构的承载能力影响较大，因而可作为强度设计参数借鉴一般结构的设计理论根据承载力和构造要求设计。设计流程如图2，包括初始条件、成型设计阶段、承载设计阶段和检验阶段四步。首先，根据要求的跨度（成型后跨度L）初步选定上弦截面尺寸A；然后，根据本文建立的回归公式确定端部腹杆与上弦夹角α和初始跨度L0；之后，根据承载力和构造要求设计端部腹杆长度h、腹杆的截面尺寸b和间距l；最后，检验结构的预应力、承载力和变形等条件。

2.1 初始条件

上弦截面尺寸A作为预估值在设计前给定。最大上弦截面尺寸和最小上弦截面尺寸随跨度变化的取值见表1。最大值是指结构最大预应力不超过强度极限的尺寸；最小值是指成型后保持内力分布均匀的尺寸。拟合表1数据得到和的经验回归公式：

同理，上弦截面的最大和最小截面惯性矩见表2，和的经验回归公式为

2.2 成型设计阶段

由文献[1][2]的结论知，α对体内预应力钢屋架内力的影响比较敏感；而L0对体内预应力钢屋架内力的影响不敏感。另外，α有理论变化范围[π/2，π]，便于给出经验建议值或拟合经验公式；而L0的理论变化范围与L相关。所以，依据表3数据，得到α的拟合经验公式为

L0由式(1)确定。

2.3 承载设计阶段

该阶段确定端部腹杆长度h、腹杆的截面尺寸b和间距l。因为这些参数变化对体内预应力钢屋架内力影响不显著，因而主要考虑结构承载力和构造要求进行设计。可以借鉴一般结构的拱架高度和腹杆设计原则；也可通过数值分析总结经验公式，但这需要做大量的加载实验，包括模型试验。本文不做详细讨论。

3 结语

本文将体内预应力钢屋架结构的设计过程分为初始条件、成型设计阶段、承载设计阶段和检验阶段。总结各设计参数对结构预应力和承载力的影响规律，将参数分为预估参数、成型设计参数和承载设计参数三类，分别在不同设计阶段确定。并给出预估参数确定范围、成型设计参数拟合经验公式和承载设计参数确定依据。本文的设计方法为体内预应力钢屋架结构的工程应用提供设计依据。

参考文献

【1】祖青,李彬双.体内预应力钢屋架张拉成型及内力分布研究[J].工业建筑(增刊),2008(38):535-538.

【2】祖青,吴大俊.体内预应力钢屋架成型过程的参数分析[J].工程建设与设计,2011(3):61-62.

【3】祖青.体内预应力钢屋架结构关键设计参数研究[D].北京:北京工业大学,2006.

【4】陈绍蕃.钢结构设计原理[M].北京:科学出版社,2001.

大跨度钢屋架制作及施工 篇3

关建词:钢屋架;制作;施工

中图分类号:TU757文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)22-0141-01

钢结构厂房在近些年得到迅速推广。文章结合多年工作经验,分析总结了大跨度钢屋架制作及施工技术。

1 钢屋架的制作及施工工艺

①图纸的自审。在施工前应对图纸进行详细的阅读,对于装配尺寸有无不吻合,若有及时上报修正。

②材料的检查与处理。钢材应进行复试,合格后方可使用。型钢材料由于在运输过程中,会产生弯曲变形,这将在钢屋架拼装过程中会产生不必要的应力,可采用大锤锤击消除应力调直型钢材料。

③下料。由于在气割过程中, 自动气割割缝宽度为3mm,手工气割割缝宽度为4mm。因此在下料要预留切割量。根据经验∠100×10的角钢和12mm厚度以下的钢板预留1mm的长度,板厚20mm。上下的钢板应预留2mm左右,而板厚25mm以上钢板在此基础上增加0.5mm～1mm即可。

④放样平台与拼装平台为同一平台,平台的表面要经过水平仪测平。钢屋架的放样采用1:1的比例按实际尺寸放样。用粉线包弹出直线做画基准线,长度要比屋架长度长2m左右。而后在基准线的1/2长处用盘尺与粉线做出基准垂线。由中心点向左右分别推出屋架全长,此时的全长是由屋架全长加上焊接收缩余量的长度。30m以上的大跨度屋架向两侧分别应加大7mm左右。虽然此时所得到的地样长度要比实际屋架长度长10～14mm。但经过焊接收缩,即得到理想的设计长度。同时,从下弦基准线上中心点延垂直基准线向上提高6mm,以满足屋架起拱的设计要求。根据已得到屋架的几何线,画出所有几何汇交点的位置分别连线,形成完整的屋架几何受力线。以此画出屋架的上弦、下弦、腹杆的轮廓,轮廓之间留有相应的焊缝位置宽度,一般约20mm即可。接下来要根据图纸要求画出所有节点板的基本形状与尺寸,节点板的形状最好以矩形和梯形为主,以方便下料。

⑤点焊胎具。用∠50×5左右的角钢头利用其直角的特性,在屋架所有杆件轮廓上均匀分布点焊牢固。轮廓线要点准确,因为这是屋架几何尺寸的关键依据。

⑥将所有节点板、上下弦及腹杆分别就位,用楔子将它们固定,使其不能移位。对起拱的下弦料应进行适当弯曲。将节点板与上下弦杆件紧贴,而后点焊牢固。再将所有的腹杆用相同的方法焊牢。需要注意的是角钢杆件的轮廓边线必须与地样完全重合,从而保证几何受力线汇交一点。最后将屋架加固点焊一遍。打掉楔子,起胎、翻转,做为原始的仿形样板。

⑦把仿形样板屋架垫平,以防止弯曲变形。在样板屋架的所有节点板上,放置相同的节点板,边缘对齐点焊。只能点焊上下弦的外侧,以方便起胎,而后将上下弦、腹杆依次放在节点板上,点焊牢固。此时的关键是将角钢平面相互对齐,长短对应。

⑧总装。打开节点板上的临时焊点,将屋架翻转,吊至相邻平台,垫平后在腹杆上点焊上加筋板。将突出的临时焊点清理干净,不能有超过1 mm的不平度。把上下弦杆件放在相应位置上摆正对齐,利用自制大扳子、夹具和大锤等将其夹紧、打齐,点焊牢固。所有杆件与节点板点焊完毕后,将底座板及加强肋板点焊上。至此屋架完整的拼装完毕。

⑨焊接。要保证焊缝角高和余高。对个别采用立焊不理想的部位可用吊车将屋架立起或翻转使立角焊变为平角焊。对于焊缝尺寸较大的,为防止焊接变形可以采用多遍焊的方法,即先将A面焊一遍底,而后翻转将B面焊接完毕,最后再翻转将A面焊接完成。在焊接完毕冷却后我们将得到一个长度准确,有着严格起拱,几何汇交点精确的屋架。

2钢屋架制作及施工过程中需要注意的问题

①钢屋架的长度。钢屋架其长度都是由厂房的跨度即柱子间距决定的。因此,钢屋架的长度偏差过大都会导致屋架无法安装定位。即使免强安装后也不能很好的将屋面的荷载所产生的力矩传递分解掉,产生不应有的应力影响使用。②钢屋架的起拱。起拱的钢屋架安装受荷载后,水平弦杆将不低于水平线。起拱数值,一般要求跨度为24m或24m以上的梯形和平行弦桁架,当下弦无曲折时,宜起拱,拱度约为跨度的1/500。③钢屋架的汇交点。钢屋架的弦杆与竖向腹杆及斜向腹杆的几何线应汇交于一点。钢屋架在自身的结构形式上充分的利用了三角形的稳固性这一特点,钢屋架的上下弦杆及腹杆分别受拉力矩和压力矩的作用,相互之间通过汇交点,把力矩进行了很好的分解与传递。在实际制作施工过程中,保证屋架杆件几何线汇交一点是关键问题之一。

参考文献:

钢屋架材料购销合同 篇4

甲方：通江县日杂烟花爆竹有限责任公司

代表人：肖光海 乙方：成都市金牛区汇亿达建材经营部

代表人：谢丰霜

经甲乙双方协商一致，就烟花爆竹仓库钢屋架所需钢材，由乙方提供，并达成以下购销合同条款：

一、钢材质量、型号、标准：按国家规定质量标准执行，由乙方提供标准合格的产品。

二、钢材型号、数量、价格：

1、方钢：型号100mmX100mmX3mm，数量140根，单价225元/根，金额31500.00元；

2、矩管：型号50mmX100mmX2mm，数量500根，单价123元/根，金额61500.00元； 3、50角钢：型号50mmX50mmX3mm，数量180根，单价50元/根，金额9000.00元； 4、40角钢：型号40mmX40mmX3mm，数量200根，单价40元/根，金额8000.00元；

5、以上材料总价款为110000.00元，如甲方所需钢材数量不够，需补货时，乙方提供的补货价格不变。

三、乙方所供材料必须提供产品合格证等相关质量保证资质材料。（以乙方提供的材料样品为准）

四、供货时间：乙方应在2012年11月20日前给甲方供货。

五、价款结算：甲方于2012年11月16日前预付定金50000.00元，货到甲方工地验收后给乙方付清余款。

六、钢材运输：由乙方送货到甲方工地，运费事宜由甲乙双方电话联系，甲方付款；补货由乙方发托运到甲方工地，托运费由甲方承担。

七、违约责任：以上条款，甲乙双方应共同遵守执行，否则视为违约，违约按合同总价款的50%赔偿对方。

八、合同签订：此合同一式二份，甲乙双方各执一份；经甲乙双方代表人签字盖章后生效。

甲方代表人（签章）：

乙方代表人（签章）：

钢屋架建筑 篇5

关键词：发电厂房,续接下弦杆法,下弦杆断裂

1 概况

东北某水电厂一期主厂房建于1940年, 1943年投入使用, 厂房结构为钢骨架钢混结构, 长181.20 m, 宽22.60 m, 高27.75 m (自发电机室地面算起) , 钢屋架为铆接钢结构, 屋架跨度22.00 m, 间距9.00 m。厂房屋面为现浇制混凝土盖板结构, 钢屋架系由横向桁架、纵向垂直支撑 (5榀) 、屋面水平支撑、檩条等组成 (无下弦平面支撑) , 其钢屋架为双腹杆角钢 (L150) 铆接结构, 刚接于厂房阶形柱上柱内钢骨架上。一期厂房钢屋架立面结构如图1所示。厂房墙体厚度为0.35 m, 立柱间距9 m, 下柱截面尺寸为2.10 m×1.10 m (长×宽, 下同) , 上柱截面尺寸为0.80 m×0.55 m, 在立柱216.80 m高程处为上下柱的分界点, 并在下柱顶的内侧设置了2×250 t桥机轨道梁。一期厂房墙柱结构为型钢骨架外包钢混整体结构, 具有较大的刚度, 无纵向伸缩缝。

在2009年1月12日对厂房棚面的检查中, 发现了一期主厂房西2榀和3榀钢屋架的下弦杆两根角钢均发生全断裂的重大故障。其中2榀钢屋架的下弦杆断裂点位于U6杆7号节点板的上游侧, 3榀钢屋架的下弦杆断裂点位于U3杆3号节点板的下游侧。两处断口状况基本一致, 断口较为平齐, 呈银白色, 脆性断裂, 断口轴向距离分别为80 mm和75 mm, 如图2所示。其他仅西1榀至5榀钢屋架及其间纵向桁架的部分杆件也发生了弯曲、扭曲和开裂等缺陷, 部分节点板有微小弯曲现象。经现场勘查、分析, 造成钢屋架断裂故障的根本原因是厂房上、下游墙柱结构向外侧位移, 拉断下弦杆。因此, 在不具备更换钢屋架的条件下, 提出采取续接下弦杆的方法加固钢屋架, 以保证厂房结构安全。

(a) 西2榀钢屋架 (b) 西3榀钢屋架

2 加固断裂的下弦杆 (以2榀钢屋架为例)

2.1 方法

由于该水电厂厂房钢屋架断裂故障在国内尚属首次, 其修复或加固的方法还没有成熟的经验。经反复研究决定, 先对厂房钢屋架断裂杆件进行加固, 再对上下游墙柱设置限位移锚索, 以维持厂房的稳定状态。对于该钢屋架加固的方法主要有:a.更换钢屋架.;b.更换下弦杆;c.续接下弦杆。

对于方法a, 不仅施工难度大工期长、不利于冬季施工, 而且不经济, 显然不可取。对于方法b, 由钢屋架结构可知, 各节点为铆接, 因U5、U6为L150×15角钢的整根杆件, 若在不移去屋面荷载的情况下更换该杆, 则有可能在施工期因屋架局部承载能力徒降造成屋面垮塌, 所以也不可取。对于方法c, 由于下弦杆主要承受轴向拉力而且断口位于U6端部, 在不改变钢屋架目前稳定状态的情况下, 可以采用续接法将U6杆连结在7号节点板上, 再以抗拉板连结新旧角钢 (下弦杆) 。下弦杆断裂加固结构和加固件布置, 如图3所示。根据东北电科院下弦杆角钢机械性能检测结论, 钢屋架材质相当于现在Q235A钢材, 强度指标仅相当于Q235的0.9倍, 同时考虑Q235A钢材具有较好的加工和焊接性能, 故下弦杆加固材料首选Q235A角钢和钢板。

2.2 设计

2.2.1基本资料

钢屋架下弦杆续接法, 是在拆去已断裂的较短下弦杆角钢的条件下, 截掉部分较长下弦杆角钢后, 以新角钢及抗拉板将原下弦杆角钢与节点板联结起来的方法。

根据下弦杆断裂现场检查, 7号节点板厚20 mm, 7号节点板上的U6杆段长430 mm, 竖向节点板最低处高160 mm, 具备角钢三面围焊的条件, 新角钢选用L160×16型Q235A标准角钢。抗拉板选用16 mm厚的Q235A钢板制成, 考虑板条便于在角钢内表面布置焊接, 采用80 mm×16 mm和280 mm×16 mm两种截面尺寸。考虑选用构件的厚度和加固结构中可焊部分的长度, 节点板处焊缝焊高应不小于12 mm ( hf节点板≥12 mm) , 抗拉板处焊缝焊高应不小于10 mm (hf抗拉板≥10 mm) , 焊条选用J422, 其焊缝强度按高空作业选取, 即0.9fwf =0.9×160=144 MPa。

由于厂房钢屋架建造于上个世纪30年代, 原有设计资料严重缺失, 故其下弦杆许用承载力按其目前可承受的极限轴向拉力确定 (该力大于下弦杆许用承载力, 不考虑安全系数) 。钢屋架材料系日本30年代产品, 其钢材强度、应力等技术指标缺失, 根据金相分析结论“材质相当于现在Q235A”及下弦杆L150×15角钢截面面积AL150= (150+135) ×15=4 275 mm2, 故可确定原下弦杆 (双腹角钢) 极限轴向拉力NL150=n×fy×AL150=2×240×4 275=2 052 kN (取屈服强度fy=240 MPa) 。

2.2.2安全校核

续接下弦杆加固结构主要由角钢、抗拉板、焊缝等组成, 加固件主要承受轴向拉力作用, 故采用构件轴向拉力比较法来判定加固结构是否安全。

a. 续接下弦杆角钢。续接下弦杆由2根L160×16标准型角钢构成, 单根截面面积AL160= (160+144) ×16=4 864 mm2, 续接双角钢可承受的轴向拉力NL160=n×f×AL150=2×215×4 864=2 091.5 kN (取抗拉强度f=215 MPa) , 大于原下弦杆可承受的轴向拉力NL150=2 052 kN, 可见续接角钢能够保证安全。

b. 抗拉板。抗拉板由5块钢板组成, 其截面面积总和为ΣA抗拉板= (80×4+280) ×16=9 600 mm2, 抗拉板可承受的轴向拉力N抗拉板=n×f× ΣA抗拉板=215×9 600=2 064 kN (取抗拉强度f=215 Mpa) , 大于原下弦杆可承受的轴向拉力NL150=2 052 kN, 可见抗拉板能够保证安全。

c. 焊缝。对于节点板处的焊缝, 由于采用三面围焊, 根据现场实测焊缝总长ΣLw节点板= (430×2+144×2) ×2=2 296 mm, 节点板焊缝可承受的拉力Ny节点板=0.9×fwf× (0.7×hf节点板×ΣLw节点板) =2 777 kN, 大于原下弦杆可承受的轴向拉力NL150=2 052 kN, 角钢与节点板的焊缝强度满足, 侧焊缝长度为430 mm, 满足静载结构的“60hf≥Lw≥8hf”规定, 可见节点板处焊缝能够保证安全。

对于抗拉板处的焊缝, 因抗拉板端焊缝较小且多为高空立焊和仰焊, 焊接质量难以保证, 故抗拉板的焊缝强度只按侧缝校核。按在原下弦杆极限轴向拉力的作用下, 抗拉板必须保证的焊缝长度Lw抗拉板=NL150/ (0.9×fwf×0.7×hf抗拉板/10) =204 mm, 考虑焊接变形造成切向力以及高处焊接存在人为质量因素的影响, 为保证安全, 拟将单边焊缝长度增大至400 mm, 即增大约1倍的安全裕量, 也即增大了抗拉板焊缝的受拉能力Ny抗拉板=0.9×fwf× (0.7×hf抗拉板×ΣLaw抗拉板) =4 032 kN, 这样即使形成较为不利的缺陷, 焊缝大于原下弦杆可承受的轴向拉力NL150=2 052 kN, 侧焊缝长度为400 mm, 也满足“60hf≥Lw≥8hf”的要求, 可见抗拉板处焊缝能够保证安全。

2.2.3 长度确定

为便于新角钢的安装, 在新、旧角钢间预留20 mm的安装缝隙, 抗拉板对称布设在新、旧角钢上, 那么抗拉板长度可确定为L抗拉板=400+20+400=820 mm。

新角钢长度由两端的焊缝长度和过渡段长度组成, 过渡段应满足构件安装和焊接的便利, 根据现场钢屋架其他杆件的布设, 过渡段的长度宜不小于300 mm, 所以新角钢长度应LL160≥430+300+400=1 130 mm, 取整后确定新角钢长度为LL160=1 200 mm。

2.3 实施

以桥机的主梁作为支撑平台, 在其上用20 cm×20 cm木方均布支撑钢屋架下弦杆, 使断口两侧的角钢处于水平状态。在V6、V7号杆间的中下部设置T型螺杆拉紧器, 对两节点间进行适当拉紧。拆除节点底板上已断开的小段角钢并切割端口另一侧角钢, 总长约1 200 mm, 清理节点底板表面的浮锈。在节点底板上原角钢位置安装L160×16×1200角钢, 并使新旧下弦杆角钢的间距控制在20 mm, L160角钢的两边分别连续焊接在7号节点板、水平节点板和竖直节点板上。细调悬臂段下弦杆的支撑高度, 使之与L160角钢水平后, 按图3所示, 在下弦杆角钢底面设置280 mm×16 mm×820 mm (宽×厚×长) 的抗拉板, 在下弦杆角钢内表面分别设置80 mm×16 mm×820 mm的抗拉板, 现场手工焊接。

3 结束语

在加固后3个月和连续20天以上低温期的运用中, 该厂房钢屋架结构没有发生较大的位移、变位, 由此, 说明在不具备更换钢屋架的条件下, 采用续接下弦杆法加固断裂钢屋确保厂房安全使用是可行的。

参考文献