游泳馆新建网架改造加固工程

'某游泳馆新建网架改造加固工程实例【摘要】本工程是在设计人员粗心大意的情况下出现的错误设计，利用空间结构设计软件mst进行分析设计，采用更换杆件结合减轻屋面重量的方案对结构进行加固设计，最终使杆件满足要求，使结构满足稳定要求。【关键词】mst软件；超长细比；超应力；挠度1．引言网架结构是在建筑工程中广泛应用的一种空间大跨度屋盖结构形式。它是将杆件按一定规律布置，通过节点连接而成的一种空间杆系结构[1]，主要应用于较大的体育建筑和公共建筑，如体育馆、展览馆、会场、候车室等，往往是人群集合或配置重要设施场所，一旦发生破坏，必然会造成人身伤亡和财产损失。该网架为一游泳馆的屋盖结构，跨度为60.5m×25.5m，网格为3m× 3m的斜放四角锥，节点类型为螺栓球铰接，采用多点支承，弹性约束。其中网架中间有2m的起拱高度。由于设计人员的粗心大意，在设计过程中，将荷载反向施加进行设计，而施工方在毫不知情的情况下按照错误的设计进行了制作安装，在整个网架上顶后，才发现问题，而幸亏荷载还没有施加，没有出现大问题。以现行规程[2]和计算分析结果为依据，应用空间结构分析设计软件mst进行验算，确定网架杆件的截面承载力和稳定性，同时用mst软件进行加固分析和设计。2．结构计算分析结构模型如图1所示。2.1验算分析原设计采用六种杆件截面尺寸，分别是ф48.0×3.0，ф60.0×3.0，ф75.5×3.5，ф88.5×4.0，ф114.0×4.0，ф140.0×4.5。首先，根据对方提供的模型，利用mst2005软件，将荷载重新施加，验证确实由于荷载反向施加造成了设计上的重大失误，根据现场的实际结构，正确施加荷载后，结构杆件的长细比、杆件应力以及结构挠度均超出现行规程[1]。其中绝大部分为受压杆件不能满足。结果如下：最大挠度fzmax=307mm，远远超过限值l2/250=102mm，超应力杆件数为560根，超长细比杆件数为422根。因此，结构必须进行加固设计。2.2 加固方案对于非预应力轴心受压构件的加固方法主要有四种：（1）减小其计算长度（加附加支撑、横杆等）。（2）增加构件截面，采用对称或不改变形心位置的加固截面形式，极大限度地增加截面的回转半径和减小纵向偏心力矩。（3）更换刚度不足或损坏的杆件。（4）减轻屋面重量，如取消吊顶，或者是原来为重型屋面改为轻型屋面。[3]对多种加固方案进行讨论，甲方首先将通过在杆件外包加固套的方案否定，因为对于一个新建工程，而且屋顶没有吊顶，这样的做法很是影响美观。最终确定采用更换杆件结合减轻屋面重量的方案。2.3设计分析设计信息如下，q235钢的强度设计值为235mpa；压杆容许长细比180；拉杆容许长细比300；地震设防烈度为6度，场地类别?类。施加荷载：静载，上弦层0.30kn/㎡，下弦层0.30kn/㎡；活荷载，上弦层0.50kn/㎡；基本风载0.60kn/㎡；温度差26℃。其中，上弦静荷载由0.6kn/㎡降为0.3kn/㎡，将以前确定的玻璃屋面改为耐力板屋面。荷载组合：(1)1.20静；(2)1.20静+1.40活1；(3)1.20静+1.40温(+15)；(4)1.20静+1.40活1+1.40温(+15)；(5)1.20静+1.40温(-10)；(6)1.20静+1.40活1+1.40温(-10)；(7)1.35静+ 1.40x0.7活。由于结构本身是一个错误的设计，致使上下弦杆件的受力性质发生了变换，在错误的设计中，上弦的杆件主要为受拉，而实际上主要为受压，因此，上弦杆件承载力基本上都不够；而在错误的设计中，下弦主要为受压杆件，实际上受拉，基本上不用更换。通过软件mst2005的验证后，上弦杆件不满足的很多，而下弦没有，这与分析是一致的，而腹杆则存在大量的超长细比杆件。这样以来，更换的杆件将会占据很大的比例。怎样通过优化，尽可能的降低杆件的更换数量，减小损失，将是一个重要的问题。首先降低荷载后进行验算，发现不满足的杆件数减少的数量不明显，超长细比的杆件数仍为422根，超应力的杆件数降为508根，最大挠度fzmax=217mm。对此，将结构的约束条件进行了调整，将弹性支座的弹性刚度调大，提高对结构的约束。再次进行验算，结构超长细比的杆件数为394根，超应力的杆件数为374，不满足的杆件数量有所减少，而最大挠度fzmax=64mm，已经能满足规程要求。对结构杆件进行调整。杆件调整主要在网架短跨方向上，因为在短跨方向，相当与结构的短轴，受力较大，加强短轴就会使整个结构的受力性能得到优化，从而使不满足的杆件数量能够较大程度的减少。进行了以下工作：（1）调整跨中杆件截面，如图2所示。各方案分别调整为ф88.5×4.0、ф114.0×4.0两种截面。验算方按一后，超应力杆件数均为338根，超长细比杆件数均为332根，最大挠度fzmax=63mm。方案二，超应力杆件数均为350根，超长细比杆件数均为314根，结构最大挠度fzmax=65mm。（2）对称调整杆件截面尺寸，如图3所示。改为ф75.5×3.5，ф88.5×4.0两种截面。在两种截面下，超应力杆件数均为240根，超长细比杆件数均为204根，最大挠度fzmax大约为70mm。（3）腹杆和上弦杆件一起调整，如图4所示。杆件截面改为ф 114.0×4.0。超长细比杆件数为200根，超应力杆件数为154根。结构最大挠度fzmax=29mm。（4）抽空杆件，如图5所示。验算后超长细比杆件数为256根，超应力杆件数为330根。结构最大挠度fzmax= 44mm。通过以上几种方案的分析，虽然不满足的杆件数量有所降低，但并没有使所有的杆件能够满足，不满足的杆件还是要被更换掉，这样，更换的杆件数量还是很多。而且，有些满足的杆件也被更换掉，这就造成了浪费。于是，就有第五种思路。（5）对不满足的杆件逐个更换，更换的顺序为先将不满足的大截面杆件更换，再更换不满足的小截面杆件。最终的截面尺寸如图6所示。图6杆件截面编号对应于表1中的杆件截面尺寸。这种杆件调整的思路虽然费时，但是却能彻底的将不满足的杆件更换掉，同时，使更换的杆件数量降到了最少。最后验算的杆件均满足要求，而结构挠度最大值fzmax=56mm，也能远远小于规程[2]规定的挠度限值。杆件应力云图如图7所示。杆件卸除数量和更换的明细表分别见表2和表3。其中上弦总共要卸除298根杆件，下弦要卸除300根杆件，共计598根。对于卸除的杆件，相应的螺栓球节点也要进行调整。通过分析验算，在第5种方案下，螺栓球节点和高强螺栓强度均能满足要求，这样以来，只需更换相应杆件的封板、锥头和套筒就可以了。3．加固时注意的几个问题和要求（1）更换杆件这种方法，工作量大，费用相对来说要高。（2）更换杆件时，要设置脚手架，支承应顶在节点上，要保证需更换的杆件被取下时，网架不发生变形，否则不能施工。（3）对于未更换的杆件，由于已经存在初始应力和初始应变，因此，施工时要注意施工荷载对这些杆件的二次影响。（4）本工程是在设计人员的粗心大意下出现的设计失误，而在加固施工时，不能再因为施工的原因致使本工程出项问题，因此，施工方要严格按照程序科学施工。参考文献：[1]沈祖炎,陈扬骥.网架与网壳[m].上海:同济大学出版社,1997.[2]jgj7-91,网架设计与施工规程[s].[3]雷宏刚.钢结构事故分析与处理[m].北京:中国建材工业出版社.'