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摘要：钢结构工程目前现代化建筑工程主要的建筑结构类型之一，具有诸多的优点，广泛应用于城市建筑行业当中。本文结合工程应用实例，重点探讨了钢结构厂房的加固改造设计工作，并通过方案比选工作选择最优的加固改造方案，为类似工程的研究工作提供借鉴意义。
关键词：钢结构；屋盖体系；改造设计；方案比选
随着我国城市化进程的不断加快，城市工业厂房、高层建筑等类似的建筑物数量日益增加，这对建筑物结构的质量安全也提出了更高的要求。钢结构是一种以钢制作为主的结构形式，具有造价低、强度高、整体刚性好、自重轻和施工速度快等优点，比较适用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。但是，目前一些钢结构厂房在检测过程中存在结构体系不合理、节点做法错误和钢梁承载力不足等不满足规范的现象，严重威胁到钢结构厂房的质量安全，一旦发生事故，甚至会造成不可挽回的人员伤亡及财产损失。因此，施工人员必须加强钢结构厂房加固改造设计工作的研究力度，并采取合理的加固改造方案，最大限度确保钢结构厂房的整体质量安全。
1 工程概况
某生产车间单层轻型钢结构厂房纵向约为90.5m，横向一边长约为50.5m，另一边长约为44.3m，建筑面积约为4035m2。采用条形基础，基底标高为-0.700m。
经现场检测及结构验算，不满足规范要求有：（1）屋面檩条间未设置撑杆和拉条；（2）屋架之间未设置水平支撑和系杆；（3）未设置柱间支撑；（4）鬀轴与⑧轴处的排架柱遭撞击导致局部屈曲。
厂房未经正规设计院设计，对上述不满足规范要求的结构构件进行加固。
2 屋盖体系加固优化设计
2.1 加固方案比选
方案一：卸除厂房原有的彩钢板，代之以预应力混凝土大型屋面板屋面，将屋面板直接焊接在屋架上，板之间用细石混凝土灌缝。混凝土大型屋面板尺寸为1.5m×7.5m，混凝土屋面板需另设找平和隔热层，加上铺小石子的油毡防水层，荷载为2.5～3kN/m2，屋盖承重结构截面尺寸较大。
方案二：在原厂房基础上合理增设屋面支撑系统。
就加固后屋盖体系整体性而言，方案一优于方案二，大型屋面板可有效传递水平荷载，但屋面荷载显著增大，需对屋架和排架柱等多个受力体系进行加固，造成加固成本急剧上升和加固周期延长。在原厂房上合理增设屋面支撑系统，可使厂房满足空间刚度和整体稳定性，因加固而增加的屋面荷载较小，减小对其他受力体系的影响，且加固成本低、易操作。综上所述，在对两方案优缺点进行比较后，决定采用方案二，即在原厂房基础上合理增设屋面支撑系统，以达到对屋盖体系加固的目的。
2.2 加固设计
1）增设屋面拉条、斜拉条和檩条撑杆
由于屋面檩条间因未设置拉条、斜拉条和檩条撑杆，各檩条无法组成稳定的受力体系，因此应增设拉条、斜拉条和檩条撑杆。拉条采用圆钢，通过螺栓与檩条连接。在屋脊和檐撑杆以受压，撑杆由拉条外套圆钢管组成。为形成几何不变体系，应同时增设斜拉条。加固时应注意，由于冷弯薄壁C形檩条自身抗扭转刚度很弱，在竖向荷载作用下，由于檩条的重心与形心不重合，这就产生了一个扭转力矩，因此拉条应设在距檩条上翼缘1/3腹板高度的范围内，使拉条拉力产生抵抗力矩，防止檩条发生扭转失稳。拉条如图3所示。拉条作为檩条的侧向支撑点，同时受拉和受压，因此应在屋脊和檐口的檩条间增设。
2）增设屋面水平支撑和系杆
由于生产车间未设置屋面水平支撑和系杆，导致水平风荷载无法有效传递，各刚架无法组成空间稳定体系，房屋纵向刚度不足，因此应增设屋面水平支撑和系杆。系杆采用圆钢管，沿厂房纵向通长设置；水平支撑采用交叉单角钢，以减小屋架平面外侧移。
2.3 验算加固结果
采用SAP2000软件进行结构验算，为简化计算，取厂房主体结构进行计算，同时对天窗进行简化处理。在永久荷载、活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、水平地震作用下按照SAP2000的工况组合，增设的拉条、系杆和水平支撑承载力均能满足要求。通过对杆件在有地震参与的最不利工况组合的内力，与无地震参与的最不利工况组合的内力的对比，发现地震对拉条、系杆和水平支撑承载力不起控制作用。
3 柱间支撑加固优化设计
3.1 柱间支撑加固方案选择
沿厂房每一纵向柱列增设柱间支撑，以保证厂房的纵向稳定和空间刚度，使纵向水平荷载通过柱间支撑传至基础。拟在每一纵向柱列的中部和从端部起第二榀框架分别增设柱间支撑，使柱间支撑与屋盖横向水平支撑在同一柱距内，具体位置见图2。
本工程中生产车间采用单阶柱，为使柱间支撑和屋盖横向水平支撑形成空间体系，提高厂房纵向刚度，使屋盖横向水平支撑与柱间支撑在同一柱间，即每一柱列设置3道上段柱和下段柱柱间支撑；因生产车间采用格构柱，考虑到双片支撑易使两个柱肢受力均匀，且支撑斜杆与翼缘节点板焊接时更易操作，上段柱和下段柱柱间支撑均采用双片支撑；对于上柱因柱距与柱间支撑的高度之比大于2.5，故上段柱柱间支撑采用八字形支撑；对于下柱，因十字形交叉支撑传力直接、构造简单，用料较省且刚度大，故下段柱柱间支撑均采用十字形交叉支撑。
3.2 柱间支撑计算
1）荷载计算
（1）纵向风荷载：由厂房一端或两端的山墙及天窗架端壁传来的集中风荷载W，并应根据山墙结构包括抗风柱和抗风桁架的布置，分别计算作用在屋架下弦端支座处的风荷载W1，作用于吊车梁顶面处的风荷载W2。
（2）单轨吊车纵向刹车荷载T可按下式计算：
式中：T为同一柱列吊车梁上由2台起重量最大的单轨吊车所有刹车轮的最大轮压之和。
（3）作用于每道柱间支撑节点上的纵向水平荷载如图3所示。
（4）在计算支撑内力时一般都假设节点为铰接，并忽略偏心影响，当在同一温度区段内的同一柱列设有两道以上柱间支撑时，则该柱列的全部纵向水平荷载由该柱列所有支撑共同承担。 2）柱间支撑截面形式
本工程因车间采用格构柱，考虑到双片支撑易使两个柱肢受力均匀，支撑斜杆与翼缘节点板焊接时更易操作，上段柱和下段柱柱间支撑均采用双片支撑，其截面形式采用等边或不等边角钢。
3.3 计算假定
对永久荷载、活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、水平地震作用、单轨吊车刹车作用进行荷载组合，以此验算结构在各种工况组合下的变形和位移，确定排架柱最大位移和各构件的最不利内力组合，通过对主要构件在无地震参与的工况组合下的内力与有地震参与的工况组合下的内力进行对比，以确定地震是否对厂房的受力起控制作用。
承受水平风荷载面积大小根据鬁轴纵向排架柱列进行位移计算，各行框排架计算均按平面框排架计算，排架柱列为超静定结构，对格构柱及横梁均应确定其换算惯性矩，在进行构件刚度计算时，格构柱及横梁均按等效实腹构件等代。
3.4 计算结果
用SAP2000程序分析此结构，共给出12个振型，前6个振型对结构的地震作用效应起控制作用，取6个振型进行分析计算。振型一：T1=1.98s，振型二：T2=0.56s，振型三：T3=1.19s，振型四：T4=0.67s，振型五：T5=0.55s，振型六：T6=0.47s。在纵向和横向风荷载组合作用下，生产车间柱顶最大水平位移为32.1mm，小于规范规定的风荷载作用下的变位限值H/500。生产车间在风荷载作用下的变形。地震组合的内力不起控制作用，截面均按非地震的不利组合计算。
4 排架柱加固优化设计
4.1 加固设计方案比选
排架柱下柱距室内地面约1.5m处曾遭撞击，柱身和缀板局部屈曲影响排架柱的承载力和稳定性。
方案一：增设支撑构件以改变计算简图的方法会占据此排架柱与邻柱的空间，对以后生产造成不便；托梁换柱或托梁截柱的方法工作量大施工复杂，况且此排架柱只是局部屈曲，更换或截断整根柱会造成不必要的浪费。
方案二：采用在柱身四周外包钢筋混凝土加固的方法，虽能大幅提高柱身承载力，但会影响被加固柱周围的使用空间，施工周期长且加固后柱身刚度发生明显变化，易造成节点板等衔接处焊缝受力不均匀。
方案三：对此排架柱遭撞击部位周围加焊钢板以补强柱截面，可提高钢柱的承载力，在生产车间不停产的状态下负荷补强，施工周期短、操作简单方便，加固后与邻柱的空间基本无影响。
综合考虑上述加固方案的优缺点后拟采用方案三，加固做法如图4所示。
4.2 加固设计分析
1）加固用材
材料强度取值：屋架、柱采用Q235钢，f=215N/mm2，fv=125N/mm2。
2）承载力计算
采用10mm厚Q235钢板，焊脚尺寸为hf=6mm的侧面角焊缝（ =160N/mm2）。
加固截面强度、排架平面内稳定性、排架平面外稳定性、腹板局部稳定计算满足要求。取焊缝长度为300mm，屈曲部位上下各150mm。
5 结语
通过探讨钢结构厂房加固改造设计工作，笔者总结出以下几点结论：①屋盖体系是确保厂房刚度及稳定性的重要支撑及系杆，加固是需要合理增设屋面支撑；②柱间支撑是厂房纵向的主要抗侧力构件，合理增设柱间支撑可以满足厂房的纵向稳定和空间刚度要求；③本工程排架柱需要采取加焊钢板补强柱截面的加固方法来提高钢柱承载力，以满足钢结构厂房结构安全的需要。
参考文献：
[1] 邓祖华；肖飞；陆义鹏.某钢结构厂房检测鉴定与加固设计[J].江苏建筑.2012年第04期
[2] 武英杰.悬臂梁-斜撑钢结构平台改造加固设计[J].低温建筑技术.2013年第05期
关键词：钢结构；屋盖体系；改造设计；方案比选
随着我国城市化进程的不断加快，城市工业厂房、高层建筑等类似的建筑物数量日益增加，这对建筑物结构的质量安全也提出了更高的要求。钢结构是一种以钢制作为主的结构形式，具有造价低、强度高、整体刚性好、自重轻和施工速度快等优点，比较适用于建造大跨度和超高、超重型的建筑物。但是，目前一些钢结构厂房在检测过程中存在结构体系不合理、节点做法错误和钢梁承载力不足等不满足规范的现象，严重威胁到钢结构厂房的质量安全，一旦发生事故，甚至会造成不可挽回的人员伤亡及财产损失。因此，施工人员必须加强钢结构厂房加固改造设计工作的研究力度，并采取合理的加固改造方案，最大限度确保钢结构厂房的整体质量安全。
1 工程概况
某生产车间单层轻型钢结构厂房纵向约为90.5m，横向一边长约为50.5m，另一边长约为44.3m，建筑面积约为4035m2。采用条形基础，基底标高为-0.700m。
经现场检测及结构验算，不满足规范要求有：（1）屋面檩条间未设置撑杆和拉条；（2）屋架之间未设置水平支撑和系杆；（3）未设置柱间支撑；（4）鬀轴与⑧轴处的排架柱遭撞击导致局部屈曲。
厂房未经正规设计院设计，对上述不满足规范要求的结构构件进行加固。
2 屋盖体系加固优化设计
2.1 加固方案比选
方案一：卸除厂房原有的彩钢板，代之以预应力混凝土大型屋面板屋面，将屋面板直接焊接在屋架上，板之间用细石混凝土灌缝。混凝土大型屋面板尺寸为1.5m×7.5m，混凝土屋面板需另设找平和隔热层，加上铺小石子的油毡防水层，荷载为2.5～3kN/m2，屋盖承重结构截面尺寸较大。
方案二：在原厂房基础上合理增设屋面支撑系统。
就加固后屋盖体系整体性而言，方案一优于方案二，大型屋面板可有效传递水平荷载，但屋面荷载显著增大，需对屋架和排架柱等多个受力体系进行加固，造成加固成本急剧上升和加固周期延长。在原厂房上合理增设屋面支撑系统，可使厂房满足空间刚度和整体稳定性，因加固而增加的屋面荷载较小，减小对其他受力体系的影响，且加固成本低、易操作。综上所述，在对两方案优缺点进行比较后，决定采用方案二，即在原厂房基础上合理增设屋面支撑系统，以达到对屋盖体系加固的目的。
2.2 加固设计
1）增设屋面拉条、斜拉条和檩条撑杆
由于屋面檩条间因未设置拉条、斜拉条和檩条撑杆，各檩条无法组成稳定的受力体系，因此应增设拉条、斜拉条和檩条撑杆。拉条采用圆钢，通过螺栓与檩条连接。在屋脊和檐撑杆以受压，撑杆由拉条外套圆钢管组成。为形成几何不变体系，应同时增设斜拉条。加固时应注意，由于冷弯薄壁C形檩条自身抗扭转刚度很弱，在竖向荷载作用下，由于檩条的重心与形心不重合，这就产生了一个扭转力矩，因此拉条应设在距檩条上翼缘1/3腹板高度的范围内，使拉条拉力产生抵抗力矩，防止檩条发生扭转失稳。拉条如图3所示。拉条作为檩条的侧向支撑点，同时受拉和受压，因此应在屋脊和檐口的檩条间增设。
2）增设屋面水平支撑和系杆
由于生产车间未设置屋面水平支撑和系杆，导致水平风荷载无法有效传递，各刚架无法组成空间稳定体系，房屋纵向刚度不足，因此应增设屋面水平支撑和系杆。系杆采用圆钢管，沿厂房纵向通长设置；水平支撑采用交叉单角钢，以减小屋架平面外侧移。
2.3 验算加固结果
采用SAP2000软件进行结构验算，为简化计算，取厂房主体结构进行计算，同时对天窗进行简化处理。在永久荷载、活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、水平地震作用下按照SAP2000的工况组合，增设的拉条、系杆和水平支撑承载力均能满足要求。通过对杆件在有地震参与的最不利工况组合的内力，与无地震参与的最不利工况组合的内力的对比，发现地震对拉条、系杆和水平支撑承载力不起控制作用。
3 柱间支撑加固优化设计
3.1 柱间支撑加固方案选择
沿厂房每一纵向柱列增设柱间支撑，以保证厂房的纵向稳定和空间刚度，使纵向水平荷载通过柱间支撑传至基础。拟在每一纵向柱列的中部和从端部起第二榀框架分别增设柱间支撑，使柱间支撑与屋盖横向水平支撑在同一柱距内，具体位置见图2。
本工程中生产车间采用单阶柱，为使柱间支撑和屋盖横向水平支撑形成空间体系，提高厂房纵向刚度，使屋盖横向水平支撑与柱间支撑在同一柱间，即每一柱列设置3道上段柱和下段柱柱间支撑；因生产车间采用格构柱，考虑到双片支撑易使两个柱肢受力均匀，且支撑斜杆与翼缘节点板焊接时更易操作，上段柱和下段柱柱间支撑均采用双片支撑；对于上柱因柱距与柱间支撑的高度之比大于2.5，故上段柱柱间支撑采用八字形支撑；对于下柱，因十字形交叉支撑传力直接、构造简单，用料较省且刚度大，故下段柱柱间支撑均采用十字形交叉支撑。
3.2 柱间支撑计算
1）荷载计算
（1）纵向风荷载：由厂房一端或两端的山墙及天窗架端壁传来的集中风荷载W，并应根据山墙结构包括抗风柱和抗风桁架的布置，分别计算作用在屋架下弦端支座处的风荷载W1，作用于吊车梁顶面处的风荷载W2。
（2）单轨吊车纵向刹车荷载T可按下式计算：
式中：T为同一柱列吊车梁上由2台起重量最大的单轨吊车所有刹车轮的最大轮压之和。
（3）作用于每道柱间支撑节点上的纵向水平荷载如图3所示。
（4）在计算支撑内力时一般都假设节点为铰接，并忽略偏心影响，当在同一温度区段内的同一柱列设有两道以上柱间支撑时，则该柱列的全部纵向水平荷载由该柱列所有支撑共同承担。 2）柱间支撑截面形式
本工程因车间采用格构柱，考虑到双片支撑易使两个柱肢受力均匀，支撑斜杆与翼缘节点板焊接时更易操作，上段柱和下段柱柱间支撑均采用双片支撑，其截面形式采用等边或不等边角钢。
3.3 计算假定
对永久荷载、活荷载、雪荷载、积灰荷载、风荷载、水平地震作用、单轨吊车刹车作用进行荷载组合，以此验算结构在各种工况组合下的变形和位移，确定排架柱最大位移和各构件的最不利内力组合，通过对主要构件在无地震参与的工况组合下的内力与有地震参与的工况组合下的内力进行对比，以确定地震是否对厂房的受力起控制作用。
承受水平风荷载面积大小根据鬁轴纵向排架柱列进行位移计算，各行框排架计算均按平面框排架计算，排架柱列为超静定结构，对格构柱及横梁均应确定其换算惯性矩，在进行构件刚度计算时，格构柱及横梁均按等效实腹构件等代。
3.4 计算结果
用SAP2000程序分析此结构，共给出12个振型，前6个振型对结构的地震作用效应起控制作用，取6个振型进行分析计算。振型一：T1=1.98s，振型二：T2=0.56s，振型三：T3=1.19s，振型四：T4=0.67s，振型五：T5=0.55s，振型六：T6=0.47s。在纵向和横向风荷载组合作用下，生产车间柱顶最大水平位移为32.1mm，小于规范规定的风荷载作用下的变位限值H/500。生产车间在风荷载作用下的变形。地震组合的内力不起控制作用，截面均按非地震的不利组合计算。
4 排架柱加固优化设计
4.1 加固设计方案比选
排架柱下柱距室内地面约1.5m处曾遭撞击，柱身和缀板局部屈曲影响排架柱的承载力和稳定性。
方案一：增设支撑构件以改变计算简图的方法会占据此排架柱与邻柱的空间，对以后生产造成不便；托梁换柱或托梁截柱的方法工作量大施工复杂，况且此排架柱只是局部屈曲，更换或截断整根柱会造成不必要的浪费。
方案二：采用在柱身四周外包钢筋混凝土加固的方法，虽能大幅提高柱身承载力，但会影响被加固柱周围的使用空间，施工周期长且加固后柱身刚度发生明显变化，易造成节点板等衔接处焊缝受力不均匀。
方案三：对此排架柱遭撞击部位周围加焊钢板以补强柱截面，可提高钢柱的承载力，在生产车间不停产的状态下负荷补强，施工周期短、操作简单方便，加固后与邻柱的空间基本无影响。
综合考虑上述加固方案的优缺点后拟采用方案三，加固做法如图4所示。
4.2 加固设计分析
1）加固用材
材料强度取值：屋架、柱采用Q235钢，f=215N/mm2，fv=125N/mm2。
2）承载力计算
采用10mm厚Q235钢板，焊脚尺寸为hf=6mm的侧面角焊缝（ =160N/mm2）。
加固截面强度、排架平面内稳定性、排架平面外稳定性、腹板局部稳定计算满足要求。取焊缝长度为300mm，屈曲部位上下各150mm。
5 结语
通过探讨钢结构厂房加固改造设计工作，笔者总结出以下几点结论：①屋盖体系是确保厂房刚度及稳定性的重要支撑及系杆，加固是需要合理增设屋面支撑；②柱间支撑是厂房纵向的主要抗侧力构件，合理增设柱间支撑可以满足厂房的纵向稳定和空间刚度要求；③本工程排架柱需要采取加焊钢板补强柱截面的加固方法来提高钢柱承载力，以满足钢结构厂房结构安全的需要。
参考文献：
[1] 邓祖华；肖飞；陆义鹏.某钢结构厂房检测鉴定与加固设计[J].江苏建筑.2012年第04期
[2] 武英杰.悬臂梁-斜撑钢结构平台改造加固设计[J].低温建筑技术.2013年第05期