某游泳馆新建网架改造加固工程实例

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【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0.6 kN/㎡降为0.3 kN/㎡，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Ф114.0×4.0。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.