平板网架结构的加固与设计

【摘 要】：以网架结构的加固改造为工程背景,对平板网架结构的2种计算方法进行了比较,对网架结构杆件的加固方法及加固设计、施工过程中存在的问题进行了探讨.最后得出了一些结论供工程设计与研究参考.

关 键 词：平板网架；加固设计；杆件加固

引言

网架是一种承重结构,属于多次超静定空间结构体系,它改变了一般平面架结构的受力状态,能够承受来自各方面的荷载.本文就一个平板网架结构的加固的实例,来分析该设计.

1.平板网架结构工程概况

某火车站进站大厅上方,结构形式为7m×7m网格的双向正交斜放平板网架,双向跨度为42m×42m,网架高度为3m,周边柱点支承,网架位于支座上方.由于网架上弦杆节间有集中荷载,增设了再分式腹杆.网架屋面排水坡度的形式是采用整个网架起拱,三坡排水,中心部分初始起拱高度为0.63m.网架杆件材料均采用A2号钢、双等肢角钢T型截面,少数竖杆采用4根等肢角钢十字型截面；节点构造采用焊接钢板节点,由十字节点板和盖板组成.

该网架原设计是按《钢结构设计规范》的要求采用梁系差分法进行设计的,1977年设计施工并投入使用,2001年11月进行可靠性检测鉴定.检测结果表明,跨中挠度小于规定的允许挠度,但与支座相连的部分原设计为零应力的杆件发生了平面外变形,杆件内部产生了压应力,杆件长细比不满足稳定性要求.本文对用于分析双向正交斜放平板网架的交叉梁系差分法和空间桁架位移法进行了比较,指出了交叉梁系差分法存在的问题.以现行规程[2]和计算分析结果为依据,网架杆件的截面根据承载力和稳定性的计算和验算确定.该网架2001年12月进行加固改造,此时部分荷载已卸除,包括吊顶荷载,马道荷载和吊灯荷载.本文加固改造是基于上述条件下进行的.

2.网架结构的计算方法

网架是一种高次超静定空间杆系结构,要完全精确地分析它的内力和变形是相当复杂和困难的.常需采用一些检测定,忽略某些次要因素的影响,使计算工作得以简化.网架杆件之间的连接可检测定为铰接,且忽略节点刚度的影响,不计次应力对杆件内力所引起的的变化.模型试验和工程实践都已表明：对空间网架结构构件的铰接检测定是完全许可的,所带来的误差可忽略不计,现已为国内外分析计算平板形网架结构普遍采用.由于一般网架均属于平板形的,受荷后网架在板平面内的水平变位都小于网架的挠度,而挠度远小于网架的高度,是属于小挠度范畴内的.也就是说,不必考虑因大变位、大挠度所引起的结构几何非线性性质.此外,网架结构的材料都按处于弹性受力状态而未进入弹塑性状态和塑性状态计算,亦即不考虑材料的非线性性质（当研究网架的极限承载能力时要考虑此因素）.因此,对网架结构的一般静动力计算,其基本检测定可归纳为：

（a）节点为铰接,杆件只承受轴向力；

（b）按小挠度理论计算；

（c）按弹性方法分析.

网架的计算模型大致划分为3种：铰接杆系计算模型；梁系计算模型；平板计算模型.铰接杆系计算模型是离散型的计算模型,比较符合网架本身离散构造的特点,这种计算模型把网架看成为铰接杆件的集合,未引入其它任何检测定,具有较高的计算精度.后2种是连续化的计算模型,在分析计算中,必然要增加从离散折算成连续,再从连续回代到离散这样2个过程,而这种折算和回代过程通常会影响结构计算的精度.

为了求出网架的内力和变位,网架结构的分析方法大致可分为：（a）有限元法,包括铰接杆元法、梁元法等；（b）力法；（c）差分法；（d）微分方程近似解法.

3.种方法计算结果的比较

本文采用了交叉梁系差分法和空间桁架位移法对该网架结构进行了计算分析.

交叉梁系差分法可用于由平面桁架系组成的网架计算.我国在没有大量专用程序电算网架之前,工程设计中遇到这类网架的计算,几乎都普遍采用这种简化为梁系差分的分析法.其基本检测定如下：

将网架中的每榀平面桁架简化为等刚度的梁,梁的高度与网架高度相等；2交叉梁在相交处的竖向位移相等；网架全部荷载集中在各交叉点处；不考虑梁的剪切变形的影响,并认为梁的抗扭刚度为0；检测定网架节点均为铰接,所有杆件只承受轴向力,梁的弯矩由网架的上、下弦杆承担,其剪力由腹杆承担.

用差分方程近似地代替微分方程及其边界条件,把微分方程的求解改变为线性方程组的求解,以简化解题工作.该方法一般不计剪切变形和刚度变化,可以直接查用计算图表.

空间桁架位移法是一种铰接杆系结构的有限元分析法,以网架节点的3个线位移为未知数,采用适合于电子计算机运算的矩阵表达式来分析网架结构,该方法的使用范围不受网架类型、平面形状、支承条件和刚度变化的影响,而其计算精度也是现在所有计算方法中最高的,并常以此法作为各种简化计算方法计算精度比较的基础.双向正交斜放网架的2个方向桁架的跨度长短不一,节间数有多有少,靠近角部的短桁架刚度较大,对与其垂直的长桁架起支承作用,减少长桁架跨中弦杆受力,使长桁架在其端部产生负弯矩,使跨中弯矩减少,对网架受力有利.网架4角隅处的支座产生拔力,应按拉力支座进行设计.但网架支座设在上弦节点和下弦节点有所区别,尤其对与支座相连的下弦杆的受力影响较大.采用交叉梁系差分法进行应力分析的结果表明,与支座相连的下弦杆件为零应力杆；在双向正交斜放网架设计中,这些杆件的截面面积往往很小,长细比较大.而采用空间桁架位移法分析时,这些杆件一部分受压,另一部分受拉,应分别按压杆和拉杆进行设计.因而,本文认为,交叉梁系差分法不适于分析双向正交斜放网架的受力性能.对采用2种方法计算分析的与支座相连下弦杆的应力结果比较如图1所示,图中的应力系数为没有考虑稳度系数的应力值.图1空间桁架位移法、交叉梁系差分法应力系数

4网架结构的加固

4.1网架压杆的加固方法

非预应力轴心受压构件的加固方法主要有2种：（1）减小其计算长度（加附加支撑、横杆等）；（2）增加构件截面.本文根据实际施工条件和经济条件,采用2种方法相结合.对一部分杆件采用添加竖向支撑以减小一个方向的计算长度；对另一部分轴心受压采用对称或不改变形心位置的加固截面形式,极大限度地增加了截面的回转半径和减小了纵向偏心力矩.

加固计算是以保证已有和附加断面共同工作为基础,考虑了被加固压杆负荷条件下的工作状态和初始应力,同时也考虑了被加固杆件的锈蚀影响[9],没有考虑加固构件和被加固构件截面塑性工作阶段的应力调整.

4.2网架加固的施工工艺

加固构件的连接是以焊接来实现的.在一段时间范围内,对于荷载作用下的被加固杆件,其焊接变形的存在将是决定加载的主要因素.为了减少焊接变形的影响,当构件被压紧后,先在夹具安装处对构件进行点焊,然后着手焊接主要焊缝.这样就可以保证,当主杆有微小过烧时,加固构件与主杆能共同抗压并使焊接变形大大减小.最后以间断焊缝完成加固构件的最终焊接.间断焊缝的不足是其始端和末端会出现应力集中,但间断焊接可减小焊接时的变形,减少焊接工作期限和减小熔融金属量.

杆件加固要求：

（1）加固顺序：应先对下弦水平杆件进行加固,然后增设腹杆（竖向支撑）.

（2）将加固件与被加固件沿全长相互压紧（用专用夹具多点夹紧定位）

（3）用20～30mm的间断焊缝点焊固定（点焊间距为300～500mm）.

（4）将加固件与节点板进行焊接.

（5）加焊至所需焊缝面积必须由加固端向中间施焊,对称作业.

（6）增加腹杆时,先将缀板与原节点板或原杆件进行焊接,然后将腹杆与缀板进行焊接.

（7）施焊中,每段应停歇15min.

（8）施工过程中对具体施焊工艺方案、施焊焊工资格认证、施焊电流、焊条直径和环境温度均有相应要求.

因角钢平板网架在受力工作状态下施焊加固作业,具有相当的危险性.主要是由于施焊点的局部焊点温度可高达1200℃以上,可使钢材受力杆件截面发生软化,从而造成应力失效而发生事故.因此对杆件最大应变变化量和节点挠度变化量给出了控制值并进行了现场监控.

5.结论与建议

经本文的设计与方法加固后的网架结构可满足现行规范要求,加固方法简单、可操作性强；加固后的网架目前使用状况良好.本文可以得出如下结论：

（1）采用交叉梁系差分法和空间桁架位移法分析双向正交斜放网架,存在一些差异,尤其是与支座相连的下弦杆的内力.

（2）网架结构的压杆加固是为了满足稳定性要求.加固方法主要是减少计算长度、增大回转半径和增大截面面积.加固分析中需考虑原有杆件的受力状态.

（3）在加固过程中,需考虑施工工艺和监控措施.