单层钢结构厂房结构体系的加固改造与静动力分析

单层钢结构厂房结构体系的加固改造与静动力分析

齐玉磊倪国葳

第一作者：齐玉磊第一单位：河北联合大学建筑工程学院

第二单位：河北钢铁集团唐山钢铁集团有限责任公司发展规划部

第二作者：倪国葳河北联合大学建筑工程学院河北唐山063000

摘要:近年来我国工业企业发展迅速，因生产工艺的改变及设备的更换，，急需对这些厂房结构进行改、扩建，以满足生产的需求。本文分析了钢结构加固与改造的原则和方法，又对单层厂房钢结构的静、动力分析方法进行了阐述。

关键词:：钢结构加固改造单层厂房

1.钢结构加固与改造的原则和方法

钢结构加固技术的发生和发展始于二次大战后恢复生产与经济建设时期。各国对该领域的研究，直到规范的编制都非常重视。我国的研究工作起步较晚，底子较薄，需解决的问题很多，加强基础理论和应用技术的研究是当务之急。此外，加固的新材料、新方法，尤其是在恶劣环境下的加固方法的研究，加固改造的施工机具的研究等，都是目前洲门所面临的问题。

根据大量的实践经验，对结构构件的加固改造应遵循以下基本原则:

(l)全面了解原有结构的材料和结构体系:结构加固方案确定前，必须对已有结构进行检查和可靠性鉴定分析，全面了解己有结构的材料胜能、结构构造和结构体系以及结构缺陷和损伤等结构信息，分析结构的受力现状和持力水平，为加固方案的确定奠定基础。

(2)结构技术方案应技术可靠、经济合理、方便施工:结构加固方案的选择应充分考虑已有结构实际现状和加固后结构的受力特点。对结构整体进行分析，保证加固后结构体系传力线路明确，结构可靠。采取措施保证新旧结构或材料的可靠连接。还要尽量考虑综合技术指标，考虑加固施工的具体特点和加固施工的技术水平.

(3)减少对原有建筑的损伤，尽量利用原有结构的承载力:在确定加固方案时，应尽量减少对原有结构或构件的拆除和损伤。对己有结构或构件，在经结构检测和可靠性鉴定分析后，对其结构组感拜口承载能力等有了全面的了解，在此基础上，应尽量保留并利用其作用。

(4)加固实施过程中应加强对实际结构的检查，并随时消除隐患:对己有结构的实际状况及结构损伤和缺陷情况是无法百分之百掌握的，因此，在加固实施过程中，应加强对实际结构的检查工作，发现与鉴定结论不符或检测鉴定时未发现的结构缺陷和损伤，应及时采取措施消除隐患，最大限度的保证加固的效果和结构的可靠性。

从设计的角度讲，钢结构的加固方法主要有:

(l)减轻荷载:改用轻质材料或其它减少荷载的方法。如:工业厂房的屋架可在下弦增设临时支柱，或组成撑杆式结构的方法来卸荷;托架的卸荷可以采用上述方法，也可以利用吊车梁作为支点使托架卸荷。

(2)改变结构的静力计算图形:采取措施使结构发生符合设计意图的内力重分布，以调整原有结构中的应力，改善被加固构件的受力情况。

(3)原结构的构件截面和连接进行补强。采用此方法时，应注意以下几点:

a)注意加固时净空的限制，要使杆件不与其它杆件或零件相碰。

b)能适应原有构件的几何尺寸或已发生的变形清况，以利于施工。

c)应尽量减少加固施工的工作量。

d)尽可能使补强构件的重心位置不变，减少偏心所产生的弯矩。

e)当采用焊接补强时，应采用合理的焊柳l项序，减小焊接变形和焊接应力。

f)补强后构件应便于维护和油漆。

2.单层厂房钢结构的静、动力分析方法

2.1概述

厂房骨架是由柱、梁(析架)和支撑等相互联系而成的空间稳定结构，承受并向基础传递所有荷澎拜口外部作用，但在设计时常将厂房骨架分解为平面体系，即厂房横向框架和纵向结构两个相互独立的体系。计算横向框架时，一般采用计算单元的简化方法，即假定各计算单元之间的横向框架是相互独立的。

2.2单层厂房钢结构的静力分析在结构的静力分析中，主要解决两个问题:

(l)求出框架柱在各种荷载作用下起控制作用的截面的最不利内力，作为柱截面设计的依据;

(2)求出柱传给基础的最不利内力，作为设计基础的依据。

2.2.1荷载

横向框架承受的荷载及其他作用有:

(l)永久荷载(恒载):承重结构及围护结构的自重，敷设于厂房结构上的管线及生产设备自重等;

(2)可变荷载(活荷载):吊车荷载、雪荷载、灰荷载、屋面及操作平台上的活荷载、风荷载等;

(3)地震力作用:将在动力分析中考虑。

2.2.2计算的基本假定

(1)屋架的反力由上段柱的重心线传入。

(2)墙架结构、吊车梁系统以及与框架柱相连的平台等其他结构的荷载均视为集中荷载通过与柱的连接处作用在柱上。框架柱的自重也作为集中荷载作用在上、下段柱的顶部，当集中力对柱截面的重心线有偏心时，应考虑偏心所产生的弯矩的影响。

(3)在阶形柱中，作用在上段柱中的荷载传至下段柱时，由于上、下段柱截面重自之间有偏心，故应考虑加于柱截面变化处的偏心力矩。

(4)假定计算单元中屋盖为一刚性盘体，同时不考虑横梁和柱的轴向变形。

(5)柱的轴向力，可按横梁为简支的情况求得。

2.2.3内力计算

在多种荷载作用下，哪些荷载作用下哪个截面的内力是最不利的，很难一下判断出来。但是，可以把横向框架所受的荷载分解成单项荷载，先计算单项荷载作用下框架柱的截面内力，然后再把单项荷载作用下的计算结果综合起来，通过内力组合确定控布(截面的最不利内力。

2.2.4内力组合

框架的内力组合就是为了求出某个截面，在几种荷载同时作用下可能出现的最不利的内力。SAP84程序中给出了36种内力组合。

2.3单层厂房钢结构的动力分析

单层厂房的抗震计算，可以取横向和纵向两个方向进行。在横向地震作用下，结构可按多质点空间结构进行内力分析。在本工程中，由于加固改造部分为整体厂房的一部分，两端无山墙，在这种清况下，也可按平面框架计算，与实际清况出入不大。

单层厂房的横向抗震计算，与静力计算一样，取单棍框架为计算单元。在进行动力分析时，首先需确定结构基本周期，即结构的地震反应。在本文中，为了能够比较真实的反映结构的动力性能，将其简化为多质点体系，并按多质点体系讲行结构的地震反应分析。

2.3.1结构的地震反应

结构的地震反应是指地震引起的结构振动，它包括地震在结构中引起的速度、加速度、位移和内力等。多质点弹性体系地震反应分析采用振型分解法。

2.3.2运动方程式

各质点体系的坛动方程用矩阵形式表示为:

[m]{}+[c]{}+[k]{}=[m]{1}o

求解此方程常采用振型分解法。

2.3.2.1振型分解法

用体系的振型作为基底，用函数q(t)作为坐标，将质点运动方程简化为几个独立的方程，每个方程中只包含一个未知项，可以分别独立求解，这一方法称为振型分解法。而函数q(t)表示在质点任一时刻的变位中每个振型所占的分量。

用此法求出的多质点弹性体系在地震作用下其中任一质点m1位移x1(t)的计算公式:

2.3.3内力分析及组合

2.3.3.1内力分析

将上式中求出的只作用在体系的i质点上，作为质点的等效荷载，然后用静力方法按平面框排架进行内力分析，求出各控带撇面的地震作用效应。

2.3.3.2内力组合

地震作用引起的内力和与其相应的竖向荷载引起的内力，根据可能出现的最不利荷载组合清况，进行组合。

对进行单层框排架的内力组合时，当有地震作用效应时，不考虑风荷载效应和吊车横向水平制动力引起的内力，同时也不考虑竖向地震作用。

3.参考文献

[l]赵熙元:建筑钢结构设计手册，冶金工业出版社，1995;

[2]王国周:中国钢结构五十年，建筑结构，1999(10);