钢结构通廊加固设计研究

钢结构通廊加固设计研究

江辉

中冶南方武汉钢铁设计研究院有限公司

1. 引言

随着冶金企业的重组和管理升级，新的管理和经营模式赋予项目新的要求。近年来我院服务的冶金企业中关于加固和改造类项目普遍增多，尤其以通廊加固项目为典型。但是看似简单的皮带机通廊，在加固设计中却反应出很多典型问题，这在以往的常规设计中是没有遇到的。有必要进行分析研究，让钢通廊加固设计成熟化、常规化，以解决冶金企业燃眉之急。

关键词：钢结构； 通廊 ； 加固设计

2. 钢通廊加固的原因

1. 第一类以增加封闭维护为主的加固

冶金企业钢通廊作为生产工艺中转运物料的主要构筑物应用广泛。以前设计的通廊以开敞式为主，运送物料过程中易产生粉尘污染，自然环境的雨水冲刷对暴露在外的钢结构承重构件有一定的腐蚀性，企业对构筑物的涂装维护往往不及时，导致构件在正常使用年限内存在一定的风险。

随着我国大气污染及雾霾形势日趋严峻，国家对环保的要求越来越严格。《中华人民共和国大气污染防治法》明确要求“工业生产企业应当采取密闭、围挡、遮盖、清扫、洒水等措施，减少内部物料的堆存、传输、装卸等环节产生的粉尘和气态污染物的排放。”2013年国务院印发的《大气污染防治行动计划》（国发[2013]37号）中第一条第二款明确指出“深化面源污染治理。大型煤堆、料堆要实现封闭储存或建设防风抑尘设施。”冶金企业响应国家和地方的环保要求，争相进行生态森林旅游式、花园式工厂建设。要达到环保标准通廊封闭成为势在必行的项目，刻不容缓。

2. 第二类以原有设计缺陷和施工缺陷为主的加固

实际工程实例中多数是第二类原因引起的加固。比如烧结区域的通廊和高炉水渣输送线的通廊，他们典型的问题是腐蚀环境引起的加固。原有设计对环境认识不清，经验不足是主要原因。加固虽然投资大，施工复杂，后续使用年限短。但是业主为了保产一般不会选择重新建设，而是考虑首选结构加固。

这种情况的通廊加固略显复杂，加固程度大。加固设计方案的确定和多种因素有关：原有结构形式及鉴定报告情况、原有工况条件、现有施工条件、腐蚀环境、业主生产要求等等。不同的个例加固形式差别很大，需要仔细分类总结。

3. 钢通廊加固设计难点及易忽视的问题

1. 钢通廊加固方案的设计思路

1.1钢结构加固的分类

从设计的角度来讲，钢结构的加固主要可分为两大类：

a.改变结构计算简图的加固方法：采用改变荷载分布状况、传力途径、节点性质、边界条件、增设附加杆件或支撑、施加预应力、考虑空间协同作用等措施对结构进行加固的方法。

b.不改变结构计算简图的加固方法：在不改变结构计算简图的前提下，对原结构的构件截面和连接进行补强的方法。此时对构件的加固又称为加大截面法。

从施工的角度来讲，钢结构的加固也分为两大类：

a.卸载或部分卸荷加固：结构损伤较严重或构件的应力很高，或者补强施工不得不临时削弱承受很大内力的构件及连接时，需要暂时减轻其负荷。对某些主要承受移动荷载的结构可限制移动荷载，这就相当于部分卸荷了。当结构损坏严重或原结构构件的承载能力过小，不宜就地补强时，还需考虑将构件拆下补强或更换。此时，应采取措施使结构构件完全卸荷。

b.在负荷状态下加固：这是加固工作量最小、最简便的方法。但为保证结构的安全，应要求原结构的承载力应有不少于20％的富余，并且构件应没有严重的损伤。

加固用连接材料应符合现行《钢结构设计标准》的要求，并与加固件和原有构件的钢材相匹配。当加固件的钢号与原有构件的钢号不同时，连接材料应与强度较低的钢号相匹配。

钢结构加固材料的选择，应在保证设计意图的前提下，便于施工；使新老截面、构件或结构能共同工作，并应注意新老材料之间的强度、塑性、韧性及焊接性能匹配，以利于充分发挥材料的潜能。

1.2钢通廊整体加固的方法

加固方案应简单易行、安全可靠、经济合理和方便施工。在选择加固方法之前 ,应先考虑原有结构形式、结构鉴定报告情况，现有工况和腐蚀环境各方面的因素，并根据结构具体情况来选择最优的方案。

1.2.1改变结构计算图形的加固方法

某上承式的通廊桁架加固。

根据项目特性和结构鉴定的情况，需要对桁架下弦进行加固处理。以此简单的例子来说明改变计算简图的加固方法。

桁架腹杆形式为人字型，可增加竖腹杆,使下弦杆件的长细比减小以提高其稳定性。

将下弦杆件加固截面由 2L140 ×14增至 2L140×14+ 2L100×6,增大下弦截面面积，减少杆件应力比 ,达到增大结构整体刚度目的。加固后杆件截面应力下降约为30 %左右 , 刚度增大比较明显。同时由于竖向腹杆的设置 ,同时增加下弦平面支撑，使下弦杆的长细比减少50 % ,大大提高了结构稳定性。增加加固后钢桁架节点位移比加固前减小，增加结构或构件刚度的方法对减小节点位移效果明显。

改变结构的静力计算简图 ,通过调整原有结构中的应力 ,使 符合设计需要的内力重分配，改善被加固构件内的受力情况 ,以减少维修加固工作量 ,是一种切实有效,经济的加固方法。

1.2.2完全托换荷载的加固方法

完全托换荷载的通廊加固可以是增加新桁架支撑在原有支架上的方法。适用于桁架无法采用直接焊接加固，或者桁架构件无可焊性，鉴定等级为D级，这种情况同时要保证增加桁架在空间上可行。

旧通廊新增封闭维护结构。原有桁架为走道外悬挑式桁架，为早期比较老式的小型桁架结构形式，这种结构形式通廊封闭有一定的困难时，可采取托换荷载的方式。

此种加固方式将新增加维护结构的荷载用新增桁架来承担，新增桁架支撑在原有支架上。再对支架和基础具体计算后进行必要的加固。

1.2.3直接增大结构构件截面和连接节点的加固方法

重点考虑经济条件、施工可行性、需提高的承载能力来确定哪一种加固组合截面合适。

桁架增大截面法加固，下弦常见加固方式可以和上弦类似增加双角钢或者槽钢贴于角钢下侧加固。具体根据增加荷载的大小、原结构的腐蚀现状、原结构平台梁的连接方式、施工的可行性有关。

下弦杆件受拉，根据轴心受拉构件计算。上弦杆受压，除了需要满足轴心受压构件的强度要求，还需要计算整体稳定。核算截面强度应力比不够的上弦杆及斜杆，最大的强度应力比控制在0.85左右。桁架腹杆由于存在受压和受拉两种情况，需要分别计算。

1.2.4增加封闭维护的某种加固方法

这种加固方式最大限度利用原有结构的原则，承载力不够处采取加固措施。新增结构不改变原有结构的受力体系，荷载能够有效的传递。充分利用原通廊桁架承担竖向力，新增的门架满足功能性要求，在门架屋面构建平面桁架承担风荷载。通廊两端设刚度较大的端刚架，有效的将水平力传至原支架顶部。

1.3钢通廊其它构件局部加固的方法

1.3.1平台钢梁加固方法

如选择等截面单跨简支梁进行计算，梁跨度5m，梁H300×150×6×10，钢材选用Q235B。布置一定的均布恒荷载和活荷载。

在加固设计中，采用了两种加固形式。第一 种是在截面下翼缘焊接一块钢板 。第二种采用 4个加固板全长加固。

加固方式①加固后梁的承载能力提高不如方式②有效。受弯钢梁的截面抗弯能力往往是由按受压区边缘屈服准则计算的截面抵抗矩控制的，因而加固方式②对承载能力提高作用较明显。所以，加固所采用的截面组合方式对加固后承载能力提高起决定作用。

加固方式①的某些梁在加固后，其抗弯承载能力反而降低了，虽然在实际情况中可能会采取更大尺寸的加固板 ，但对于规范的设计方法而言不合理 。

1.3.2支架钢柱加固方法

轴心受压构件稳定承载力主要影响因素为构件截面几何特性，截面回转半径增大，稳定承载力能力提高。

可以分析加固后钢柱稳定承载能力的提高效率来选择加固方式。

2. 腐蚀性原因加固的选材

腐蚀性环境影响要尽量考虑加固后形成闭口结构，焊接需要采用连续焊缝，焊接难度增大，焊缝需要采取施工措施来减少焊接应力集中。新增维护结构材料选用耐腐蚀性特种材料。通廊结构的钢材也可以选用耐候钢等特殊钢材。

3. 负载下加固设计和施工的原则

钢构件增大截面的加固方法是众多加固方法中常见的一种， 结构加固要综合考虑经济效益、 施工方便以及尽可能不影响生产等因素，构件的加固通常是在负载下完成的。

为了确保钢结构构件在负荷下加固的过程中结构的安全性以及加固后结构或构件工作的可靠性 ，负载下焊接加固钢构件是在满足一定应力比条件下进行的。

《钢结构加固技术规范》中负荷下焊接加固的应力比限值

Ⅰ 特繁重动力荷载作用下的焊接结构 0.2

Ⅱ 除Ⅰ外直接承受动力荷载或振动荷载的结构 0.4

Ⅲ 除Ⅳ外仅承受静力荷载或间接动力荷载作用 0.55

Ⅳ 受有静力荷载并允许按塑性设计的结构 0.55

目前 ，针对负载下焊接增大截面加固钢结构构件的计算方法，在《钢结构加固技术规范》中是按照构件不同的使用条件和不同的设计内容采用了不同的加固折减系数 。目的都是为了保证加固后的构件在使用该方法计算得到的承载能力有足够的可靠性。负荷加固强度计算中规范采用了较严格的钢材强度折减系数 ，具体见规范要求。增加截面的加固设计方法中，钢材强度设计值取为加固后截面中钢材 。

最低强度的设计值，考虑了截面上新、旧截面材料的差别。

负荷下焊缝避免采用长度垂直于受力方向的横向焊缝。焊接过程中增加足够的临时支撑，最好达到100%卸荷作用，临时支撑指定拆除顺序。严格检查焊缝合格。减少焊接工作量，采取施工措施合理焊接顺序，降低焊接变形和焊接应力。负荷下，应采用较小的焊接尺寸，并应首先加固对原有构件影响较小，构件最薄弱和能立即起到加固作用的部位。

4. 设计和施工上避免应力集中的方法

   1. 从设计上避免焊接应力集中。

设计上要优化焊缝，满足设计要求的情况下减少焊接量，选择适宜的焊角尺寸和焊接长度，尽可能焊缝设计对称于中性轴。加固设计方案便于施工焊接工艺的实施。

4.2 从施工上避免焊接应力集中。

施工时应采用适合的焊接工艺来减少焊接应力集中。选择合理的焊接顺序，焊接顺序对焊接结构的影响很大。施焊顺序不当，会影响整个工序的顺利进行。对称施焊可以防变形，对不对称的焊接结构件，更应注意合理安排顺序。

1. 可两人同时焊接。

2. 当恢复布置不对称时应该先焊焊缝少的一侧，因为先焊焊缝的变形大，然后再用另一侧多的焊缝引起的变形来抵消先焊焊缝引起的变形，可大为减少整体结构的变形。

c.长焊缝焊接时，直通焊的变形量最大，这是连续焊接对焊件长时间加热的结果，在可能情况下，应将连续焊改成断续焊，可减少焊缝与母材因受热面的增加而产生塑性变形，最后再补焊封闭。

加固施焊程序：

1. 将加固件与被加固件沿全长互相压紧。

2. 用长20~30mm的间断（300~500mm）焊接定位焊接后，再由加固件端向内分区段（每段不大于70mm）施焊所需要的连接焊缝，依次施焊区段焊缝应间歇2~5min。

3. 对于截面有对称的成对焊缝时，应平行施焊；有多条焊缝时，应交错顺序施焊。

4. 加固施工时应对结构进行卸载或者部分卸载，严禁集中堆放加固用材料。

5. 加固后使用年限的探讨

《建筑结构荷载规范》和各类结构设计规范均给出了新建结构的设计使用年限的规定，但是 ，对于建筑结构因各种原因加固后的下一目标使用期即结构的加固设计使用年限应如何确定目前尚无统一的标准和明确规定 。针对腐蚀性环境下钢通廊加固的特性，可参考构筑物已使用年限的鉴定情况来估计加固后下一目标服务期年限，一般不超过10年。所以在加固设计中除了结构整体与构件加固，还要争取改善工况环境对主体结构的直接影响。

6. 增加封闭维护后风荷载的计算

根据《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》，敞开式廊身风荷载体型系数宜参照和架的体型系数取值；半封闭和封闭式廊身体型系数也可参考下图 确定封闭式廊身的风荷载体型系数。

计算支架时风荷载按照荷载规范ɯk=βzµsµzɯ0,其中，其中体形系数取1.7，风振系数按照以下取值。桁架计算时必须考虑横向风对桁架弦杆的影响。将Fw按左风加拉力，右风加压力施加到计算模型中参与计算。

F_W=(1/8*ɯ_k1*h/2*L²)/B

式中：F_W为上下弦横向风载产生的轴力；ɯ_k1=µ_sµ_zɯ₀,；h为通廊高度，一般取桁架高度+400mm；L为通廊跨度；B为通廊宽度。

通廊支架风振系数

通廊距离地面高度/m 风振系数

0~20 1.0

20~25 1.2

25~30 1.4

30~35 1.6

35~40 1.8

计算桁架时，桁架的竖腹杆要挂墙皮，要按照压弯构件计算。墙皮风荷载传来的附加弯矩为M=1/8 *ɯ_k1*h²

计算端部刚架时，柱顶侧移按照H/500控制。

一般不考虑墙皮风荷载附加弯矩M的情况下，竖腹杆应力比控制到0.6以下能满足要求。

6. 其它注意事项

钢结构加固要重视连接节点的加固。钢结构构件经过计算和改造后满足使用刚度和强度要求，其各杆件之间的连接节点也要求验算，保证做到“强节点，强连接”，若钢结构连接节点不满足新的受力情况时，需要对其采取一定的加固措施，满足构件对节点的强度要求。

4. 加固设计所带来的设计深思和探讨

初始设计的时候建（构）筑物如同一个新生的婴儿，不能在出生时就带有设计缺陷，这样不仅给加固设计带来困难，结构安全性也会带来风险，经济会受到重大损失。我们作为设计师要全面考虑问题，给非专业的人提供合理的建议比选。虽然看似简单的问题，实际却经常出现设计缺陷，需要时间来检验效果。

如某上承式钢桁架通廊却设置的通长下渣口，这种结构形式从设计上就是失败的。才六年时间安全性就鉴定为D级，随时都可能垮塌。

设计原理上就存在缺陷，加固也无法实施，最后钢桁架全部拆除，新建下承式桁架通廊，通廊采用方管桁架，渣口钢梁边采用陶瓷防护。

1.重视周边环境的调查研究

重视经验的积累，合理选择结构类型，并给出结构合理的使用年限，给业主提供性价比比选依据。

现在，我们来了解一下腐蚀环境钢结构锈蚀问题，这样我们能够更加清晰的认识环境给钢结构带来的影响。

严重影响钢结构的可靠性，全世界估计约有10% ~20 % 的开采金属因锈蚀而不能回收，预防钢结构锈蚀的成功与否取决于下列综合因素:

① 降低区域内外大气和介质的腐蚀性能；

② 选择合理的结构形式；

③ 适宜的涂料和维修期限；

④ 局部构造处理及防护措施。

发生锈蚀的主要条件是: 一是空气中相对湿度高;二是有侵蚀性介质, 如二氧化硫、酸气等。当相对湿度在60%以下, 侵蚀性气体又很少时,一般不易锈蚀。

例如一般的机械加工车间, 轧钢厂的均热炉、加热炉车间, 由于温度高, 空气干燥, 锈蚀程度很轻。相反,相对湿度大、侵蚀性介质多的情况下, 则很容易锈蚀。

区域内相对湿度和使用特征的不同, 决定锈蚀程度的差别。结构的锈蚀情况,关键在于油漆涂料的寿命，只要油漆不剥落,钢结构就不可能被锈蚀(原有表面未清理彻底的除外)，对钢铁企业来说, 建议较轻侵蚀车间油漆重涂期限为4-7 年,中等侵蚀车间为3-5年,较重和严重侵蚀区域应根据实际情况确定，在不良情况下应进行重新涂刷。

2.重视钢结构涂装

油漆涂装的种类和厚度应满足《工业建筑防腐蚀设计标准》（GB/T50046-2018）的要求。

3.重视腐蚀环境钢结构的构件选型和防护

如在腐蚀环境中，钢材可考虑耐候钢，构件选用方管、矩形管等闭口结构，并考虑钢结构腐蚀余量。

考虑钢结构构件外防护来增加使用年限。

（如增加混凝土板，铺贴耐酸砖、陶瓷面砖、外喷耐酸碱喷涂料等在工业中也经常使用）。

增加辅助易更换构件的厚度，如平台铺板选用8mm厚，对下层主体构件的防护性就大大增强。从加固的几个项目中发现，基本上5mm、6mm厚的平台铺板都造成主梁构件锈蚀严重，但是8mm厚的钢板的地方就会好很多。定期更换钢板也是一种防护措施。

4.重视从其它方面解决腐蚀性问题

适当从工艺上考虑解决一些腐蚀性问题。从工艺流程和设备上考虑对腐蚀性气体的收集和引流。

5.重视封闭通廊廊身内积灰问题

由于人工紧张，维护费用增加，烧结系统通廊加固设计的实地考察中，的确存在这个问题，而且问题还比较突出，应该引起适当的重视。而且封闭之后积灰更加难得排出，通廊内部形成污染，甚至人员通行困难，对结构安全产生隐患。

规范条文说明中也有指出半封闭和封闭式廊身内落料（积灰）荷载应由工艺专业提供。半封闭和封闭式廊身采用洒水方式清扫，往往难以彻底清除落料和积灰，日积月累，它们的厚度会不断增加。钢结构廊身中凹角、死角长期处在干温交替环境中，杆件和节点板会加速锈蚀，形成安全隐患。故设计应建议业主选用能彻底清除落料和积灰的方法，有条件的地方可用压力水冲刷清扫，不推荐用洒水方式清扫。

参考文献

[1] 《钢结构加固技术规范》CECS 77:96；

[2] 《钢铁企业胶带机钢结构通廊设计规范》YB 4358-2013；

[3] 《钢结构的检测鉴定与加固改造》中国建筑工业出版社出版；

[4] 《钢结构焊接规范》GB 50661-2011；

[5] 《工业建筑防腐蚀设计标准》（GB/T50046-2018）。

7