钢结构在木屋架修复工程中的应用分析

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[摘要]：本文介绍了采用钢结构修复在火灾中毁损的木屋架的工程实例，通过对不同修复方案的计算对比，选取了较经济、可靠的修复方式，经建成后检验取得良好的综合效应，为该类工程的修复提供了范例。

[关键词]：钢结构修复木屋架

一、引言

钢结构以其造型美观、轻巧大方、强度高、建设速度快、综合效益好等优点越来越受到现代建筑行业的青睐。随着我国改革开放政策的实施，

钢结构的应用日益广泛,不仅在众所周知的桥梁、机械等专署领域和大跨度的体育馆、展览馆、多高层建筑、轻钢建筑中大量涌现，而且在结构的加固、改造、修复工程中也得到相当程度的应用。

钢结构在加固、改造中的应用主要是对混凝土中杆系、梁、板结构的加固，以及房屋的加层改造，“平改坡”的做法。现在这些做法已渐成时尚，这里主要介绍一个钢结构在木屋架修复工程中的实例。

二、工程概况

某公司办公楼建于50年代，平面呈“H”形，为砖混结构，中间局部框架，混凝土柱的尺寸均为400×400mm2，强度等级为C25。木结构四坡屋顶，挂瓦屋面。该结构的屋面布置见图1。

图1 屋盖平面布置

由于一场大火将屋顶的部分木屋盖烧毁，需要重建，要求重建的屋盖与保留部分的相一致，再现屋盖原貌。经过对现场考察，木屋架烧毁处的混凝土屋面防水层已经被破坏，周边女儿墙内侧炭化、变脆，女儿墙外侧的屋面天沟板未受到影响。与屋架相连的砖墙及内框架混凝土柱都受到大火的影响，但范围仅在400 mm以内。因为原结构是木屋架，自重较轻，而且周围场地条件有限，只能在屋面施工，所以要尽量避免高噪音、强振动的施工行为。烧毁的屋顶严重影响美观，故对工期要求也很紧迫。钢结构具有自重轻、强度高、施工噪音小、现场安装速度快的优点，因而可行。经过方案比较后，决定在不破坏原建筑形式的前提下，采用钢结构来实现。

三、方案选择

考虑近期“H”型钢的逐步普及，修复的钢材采用“H”钢。其屋面的恒荷载设计值为：1.05×1.2=1.25KN/m2；活荷载设计值为：0.5×1.4=0.7KN/m2。恒活组合为1.95 KN/m2。修复工程中考虑了两种方案：（1）两端支承的钢屋架；（2）利用中部混凝土柱采用四点支承的钢屋架。

1、两点支承的钢屋架

由于必须与保存的木屋架保持一致，屋架的高度及夹角已确定，形成如下的计算简图。结构的跨度为15m，采用该方案各杆内力及支座反力见

图2，采用该方案节点处理较简单，但各杆件内力及支座反力均大于方案2，特别是支座反力比方案2高40~50%。由于两端支承点受火损较严重，该处的承载力有显著下降，为保证屋架的安全性，如采用该方案，须对纵墙进行加固处理，这样造成现场湿作业量大，延长工期。而且建筑平面尺寸不规则，此方案易造成在屋架的纵横交接处节点较难处理。

为充分利用现场条件，并尽量减少工期和工作量，充分利用内框架的混凝土柱，采用四点支承的方式，确定采用方案2的做法。由于采用多点支承，形成超静定结构体系，有利于减少内力增加结构的冗余度并可节约材料，不利的是造成计算复杂。

图2 方案1计算简图及杆件内力和支座反力

2、四点支承的钢屋架

图3 方案2计算简图

对原施工图详细了解并进行结构受力分析后，决定采用“H”型钢组成大坡屋面的每榀刚架，详见结构平面布置图(图1)、刚架立面及计算简图(图3)。每榀刚架之间由“H”型钢梁连接，檩条、拉条组成屋面系统，上铺玻璃丝棉毡、压型钢板，表面挂机瓦形成整体屋盖。《钢结构设计规范》（GBJ 50017-2003）第4.2.1中指出：“有铺板（各种钢筋混凝土板和钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能阻止梁受压翼缘的侧向位移时，可不计算梁的整体稳定性。”由檩条、压型钢板、挂瓦条和机瓦形成的屋盖与刚架梁牢固连接，能够保证刚架梁的平面外稳定，故不需要设置斜屋面的水平支撑。

主要的受力体系为图3的“人”字形钢架，GJ-1中，当将ADG作为连续杆件分析时，所需杆件截面尺寸较大，不利于减轻自重；当将ADG作为图3所示铰接杆件分析时，斜杆所需截面为HN175×900，能够实现减小断面，减轻屋架自重的目的。

屋面荷载通过檩条传给刚架，再由刚架传递到外墙顶层圈梁，结构布置合理，受力明确。由于不能够整体吊装，节点多采用螺栓及工厂焊缝连接。对于该方案能否收到理想的效果，关键在节点的处理是否成功。屋架各杆之间采用螺栓连接方式，除屋顶处为刚接外其余各节点均为铰接。屋架与山墙及混凝土柱采用铰接方式，通过在山墙及混凝土柱予埋件与屋架的钢构件通过螺栓连接。图4分别为屋顶处两“H”型钢的连接方式及钢屋架与混凝土圈梁的连接详图。

（A）屋顶钢梁的连接方式 （B）屋架与混凝土圈梁的连接

图4节点详图

该方案实施后达到了令人满意的效果：从内部看，结构简单，轻巧，便于施工，节约工期；从外观看，与原建筑屋盖连为一体，实现了复旧如初的目的。由此可见，钢结构在用于非钢结构建筑物的修复工程中，能充分体现它的优点，是更加合理的结构形式，今后必将得到越来越多的应用和推广。

图5 修复后屋架的照片

四、结论

1、根据本工程实际，采用“H”型钢可方便应用于既有木屋架的修复加固工程，具有施工周期短、对原结构影响小等显著优点。

2、屋架支承点的不同对杆件受力影响显著，在修复工程实践中根据现场实际情况，合理选择支承点的位置和数量。

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