CN105442704A - 一种加固后的网架结构及网架结构加固的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢结构领域，具体涉及一种加固后的网架结构及网架结构加固的施工方法，在负荷状态下，在网架结构下部增加一套预应力体系，包括预应力拉索、拉索锚固节点、撑杆、索夹、撑杆与网架连接节点，将网架结构就地改造为张弦网架结构。本发明对现有网架结构加固方法进行改进，可保证加固后网架结构整体刚度及承载力得到大幅提高，且加固效果美观，加固施工难度小、安全性高，可避免大范围的杆件截面增大和杆件替换施工，大量减少现场焊接作业，避免对下部楼层结构的安全性造成影响；且加固费用合理。

Description

一种加固后的网架结构及网架结构加固的施工方法

技术领域

本发明属于钢结构领域，具体涉及一种加固后的网架结构及网架结构加固的施工方法。

背景技术

空间网架结构由于其轻盈美观、整体性强、空间刚度大、工厂化程度高、建设时间短等优点，被广泛应用于机场、候车厅、体育场馆、展览馆、影剧院等重要场所。网架结构建成使用后，由于使用功能改变、荷载增加、结构受损等原因造成结构承载能力无法满足使用需求，需采取措施保证结构的安全。如果拆除重建，需要消耗大量的资源和时间，造成浪费，而对原网架结构进行加固，则可以在满足结构安全的前提下，改善和提高原结构的使用功能和价值，节约成本，减少投资。

目前，对网架结构进行加固的方法主要有几下几种：

1、杆件替换法：用截面适宜的杆件替换需要加固的杆件。

2、增大截面法：在需要加固的杆件上包焊钢管或贴焊型钢，如角钢、槽钢等，增大杆件的截面面积，提高杆件的承载能力，进而提高网架结构的承载能力。

3、增加网片法：在网架结构下部增加一层网片，以提高网架结构的整体刚度及承载能力。

上述网架结构的加固方法存在以下缺陷：1）施工不便：为保证加固施工过程网架结构的安全、保证新替换的杆件与原结构形成整体，加固施工前需对网架结构实施反顶卸载，在实际工程中施工操作难度较大，施工过程影响下部楼层结构安全；2）美观性不足：在网架结构中大量包焊钢管或贴焊型钢，在没有吊顶的工程中，严重影响结构观感；3）加固效果有限：在需要加固的杆件上包焊钢管或贴焊型钢，加固效果缺乏实验研究；仅增大杆件截面面积，对结构整体刚度贡献有限；局部杆件截面增大的同时造成结构局部刚度突变，内力重分配后，实际加固效果大打折扣；4）在负荷状态下的网架结构中大量进行包焊钢管或贴焊型钢等焊接作业，施工风险较大；5）经济性较差：大面积替换杆件或在网架结构下部增加一层网片，直接投入大，施工费用高，经济性差。

针对上述现状，本发明人设计了一种加固后的网架结构及网架结构加固的施工方法，本案因此而产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加固后的网架结构及网架结构加固的施工方法，保证加固后网架结构承载力和刚度能够有效提高，有效降低加固施工难度、提升施工安全，且加固效果美观，加固费用合理。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种加固后的网架结构，包括网架结构部分、预应力结构部分和若干混凝土柱，所述网架结构部分通过若干混凝土柱支撑，所述预应力结构部分位于网架结构部分下方，并且预应力结构部分的两端固定于网架结构下部支座上；所述预应力结构部分包括相互平行设置的若干根预应力拉索和起到连接支撑预应力拉索与网架结构部分的若干撑杆，所述撑杆与混凝土柱平行设置。

进一步，所述撑杆的一端通过索夹与预应力拉索连接，撑杆的另一端通过网架连接点与网架结构部分连接，所述预应力拉索两端通过拉索锚固节点与网架结构下部支座连接。

进一步，所述索夹包括上夹块和下夹块，上夹块和下夹块通过沉头螺栓连接拉紧，所述上夹块上端面焊接有一衬管，该衬管与撑杆固定连接。

进一步，所述网架连接点包括撑杆顶部的锥头和螺栓球，锥头和螺栓球通过一螺栓连接固定。

进一步，所述拉索锚固节点包括固定于混凝土柱上的支座，支座外侧贴焊有一连接耳板，耳板上通过销轴固定连接有一锚具。

一种网架结构加固的施工方法，包括如下步骤：

第一步：加固构件深化设计，编制加固施工方案，加固构件采购及加工，撑杆与锥头、索夹上夹块在工厂预先焊接完成；

第二步：加固构件进场，进行加固施工前准备，施工机具准备、场地清理、铺设楼面成品保护措施；

第三步：按加固方案要求，释放网架结构支座水平约束；

第四步：在第五轴楼面搭设移动式操作平台，利用链倒安装第五轴撑杆，将撑杆顶部高强螺栓拧入螺栓球工艺孔约2/3设计深度；

第五步：利用卷扬机牵引放索，将第五轴拉索展开至操作平台，利用倒链安装第五轴拉索，按拉索标定位置逐个紧固索夹，直至第五轴拉索安装到位；

第六步：操作平台移位，重复以上三到五步骤逐轴安装第六轴～第九轴加固构件；

第七步：按张拉方案规定的顺序将所有拉索张拉至设计索力，拧紧所有撑杆顶部高强螺栓，并采用销钉固定；

第八步：按加固方案要求，对个别加固后承载力不足的杆件及套筒进行加固，并固定网架结构支座水平约束，加固施工完成。

采用上述方案后，本发明具有诸多有益效果：

1、加固后结构整体刚度及承载力得到大幅提高：在网架结构下部增加一套预应力体系，通过张拉拉索，沿撑杆对网架结构实施向上的作用力，利用拉索在结构内形成的自平衡作用，为网架结构提供多点弹性支撑，从而大幅降低网架结构的整体应力水平；提高网架结构竖向刚度，达到加固网架结构的目的；

2、加固效果美观：刚性网架与柔性拉索的结合，符合建筑结构发展潮流，带来极具科技感的视觉冲击；

3、加固施工难度小、安全性高：可在网架结构负荷状态下进行施工，可避免大范围的杆件截面增大和杆件替换施工，可避免加固前对网架结构实施反顶卸载，大量减少现场焊接作业，避免对下部楼层结构的安全性造成影响；

4、加固费用合理。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明预应力结构部分的结构示意图；

图3为本发明的索夹结构示意图；

图4为本发明的网架连接点结构示意图；

图5为本发明的拉索锚固节点结构示意图；

图6为本发明压杆加固示意图；

图7为本发明螺栓套筒加固示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明较佳实例做进一步详细说明。

网架结构为双坡折板螺栓球网架结构体系，网架厚度为2.85m，跨度为46.43～50.67m，杆件采用Q235B直缝管，杆件截面为60×3.5～159×10，结构两相邻边最大高差7.21m，网架结构通过下部的25根混凝土柱3支撑。项目所在地发生地震后，结构整体未出现明显的破坏特征，但网架结构1多处橡胶支座的螺栓被剪断，支座向外侧发生大小不等的位移，结构挠度大幅度增加，最大挠度较地震前增加近125%。经鉴定，网架结构1因遭遇地震作用存在安全隐患，需进行加固处理。

如图1～图2，一种加固后的网架结构，包括网架结构部分1、预应力结构部分2和若干混凝土柱3，所述网架结构部分1通过若干混凝土柱3支撑，所述预应力结构部分2位于网架结构部分1下方，并且预应力结构部分2的两端固定于混凝土柱3上的支座上；所述预应力结构部分2包括相互平行设置的若干根预应力拉索21和起到连接支撑预应力拉索21与网架结构部分2的若干撑杆4，所述撑杆4与混凝土柱3平行设置；所述撑杆4的一端通过索夹5与预应力拉索21连接，撑杆4的另一端通过网架连接点6与网架结构部分1连接，所述预应力拉索21两端通过拉索锚固节点7与混凝土柱3的顶端支座连接。

结合图2所示，网架结构部分1横向平行布置五道预应力拉索21，拉索21两端锚固于⑤～⑨轴支座节点，拉索21规格为1670级Φ5×241外包PE半平行钢丝束，拉索矢高3m，索形符合悬链线方程。

单根拉索21设6～7根撑杆4，撑杆4上端与网架结构部分1下弦球节点连接，下端设索夹5夹持拉索21，杆件采用Φ114×5热轧无缝钢管，杆件长度1520～4523mm不等。

结合图3所示，所述索夹5分上夹块51与下夹块52，夹块、均由60mm厚钢板经机械加工制作而成，夹块外表面为圆弧面，中部开设半圆形索槽，槽面拉毛，毛刺高度不小于2mm，夹块周边钻有4个Φ17.5螺栓孔，安装后通过4颗M16沉头螺栓53拉紧夹块，夹持预应力拉索21。为了加工制作与安装方便，上夹块51与撑杆4采用直接焊接的方式连接，焊接部位设置衬管54，衬管54规格Φ102×5，与上夹块51预先焊接。

结合图4所示，撑杆与网架连接节点6为在撑杆4顶部设置锥头61，内置M20高强螺栓62，通过套筒63将高强螺栓62拧入网架结构下弦螺栓球64底部工艺孔内。

结合图5所示，拉索锚固节点7为在网架结构橡胶支座71外侧贴焊连接耳板72，拉索索头为厂家定制的双耳热铸锚具73，以避免与网架结构下弦杆74件相碰，锚具73与连接耳板72间通过销轴75连接。

接下来为网架结构负荷加固方法的具体设计流程为：

第一步：确定拉索布置方案。

第二步：确定支座处理方案。网架结构支座处理方案有3种：方案1，预应力施加前及预应力施加后，支座均为可滑动状态；方案2，预应力施加前及预应力施加后，支座均为不可滑动状态；方案3，预应力施加前，支座为可滑动状态，预应力施加后，支座为不可滑动状态。3种支座处理方案分别适用于不同类型的项目，加固前需结合项目实际情况，从构件应力比、结构挠度、支座推力等方面对3种方案进行定量对比分析，选择综合指标最优方案作为实施方案。网架结构1在索力为200kN时，3种支座处理方案的对比分析数据如下：

对比指标	方案1	方案2	方案3
				应力比0.9以上构件数量	89	20	12
挠度	102	100	96
				支座最大水平力	0	191	137

经比较，方案3预应力施加阶段网架结构1与下部混凝土柱2之间相互独立，预应力施加完成后，网架结构1与下部混凝土柱2协同工作，索的效率适中，支座推力适中，在下部混凝土柱2承载能力范围以内，故选择方案3为最终实施方案。

第三步：对加固方案进行计算分析，确定目标索力。

经计算分析，网架结构目标索力为200kN时，应力比0.9以上的杆件数量最少，仅为12根，且均为受压控制。同时，结构整体应力分布得到明显均化，高应力比的构件数量明显减少，结构竖向刚度明显增加，结构在恒载作用下的挠度减小36mm，结构整体的安全度得到大幅提高。加固前后各应力比区间的构件数对比如下：

第四步：确定个别杆件加固方案。根据计算分析结果，经加固的网架结构在使用状态下有12根构件的设计受压承载力不能满足要求。考虑到承载力不满足要求的杆件均为压杆，且在预应力施加完成后杆件应力比均不超过0.5，故采取原位外包钢管的方法进行加固处理，具体做法如图6所示，在待补强的杆件21外包焊钢管22，外包钢管22内径比待补强的杆件21外径大1~2mm,补强前将外包钢管22横向劈为两半，并开设焊接坡口，补强时直接对接在待补强杆件21外并进行焊接。

第五步：螺栓球网架配件验算。网架结构原设计选用的最小螺栓为M20，加固方案中对拉力超过132kN(M20螺栓的设计受拉力)或压力超过182kN(M20螺栓配套套筒的设计受压力)的构件配套螺栓或套筒进行了逐一验算，计算结果为所有螺栓均能满足要求；套筒承载力按截面承压强度进行验算，计算结果为有2根受压构件的螺栓套筒不能满足承载力要求，需进行加固处理。

第六步：确定个别配件加固方案设计。考虑到套筒与螺栓球和杆件封头板均为顶紧连接方式，故采取在原套筒63外增加一个圆管套管64的加固方式，具体加固方式如图7所示。

一种网架结构加固的施工方法，包括如下步骤：

第一步：加固构件深化设计，编制加固施工方案，加固构件采购及加工，撑杆与锥头、索夹上夹块在工厂预先焊接完成；

第二步：加固构件进场，进行加固施工前准备，施工机具准备、场地清理、铺设楼面成品保护措施；

第三步：按加固方案要求，释放网架结构支座水平约束；

第四步：在第五轴楼面搭设移动式操作平台，利用链倒安装第五轴撑杆，将撑杆顶部高强螺栓拧入螺栓球工艺孔约2/3设计深度；

第五步：利用卷扬机牵引放索，将第五轴拉索展开至操作平台，利用倒链安装第五轴拉索，按拉索标定位置逐个紧固索夹，直至第五轴拉索安装到位；

第六步：操作平台移位，重复以上三到五步骤逐轴安装第六轴～第九轴加固构件；

第七步：按张拉方案规定的顺序将所有拉索张拉至设计索力，拧紧所有撑杆顶部高强螺栓，并采用销钉固定；

第八步：按加固方案要求，对个别加固后承载力不足的杆件及套筒进行加固，并固定网架结构支座水平约束，加固施工完成。

上述实施例仅用于解释说明本发明的发明构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种加固后的网架结构，其特征在于：包括网架结构部分、预应力结构部分和若干混凝土柱，所述网架结构部分通过若干混凝土柱支撑，所述预应力结构部分位于网架结构部分下方，并且预应力结构部分的两端固定于网架结构下部支座上；所述预应力结构部分包括相互平行设置的若干根预应力拉索和起到连接支撑预应力拉索与网架结构部分的若干撑杆，所述撑杆与混凝土柱平行设置。

2.根据权利要求1所述的一种加固后的网架结构，其特征在于：所述撑杆的一端通过索夹与预应力拉索连接，撑杆的另一端通过网架连接点与网架结构部分连接，所述预应力拉索两端通过拉索锚固节点与网架结构下部支座连接。

3.根据权利要求2所述的一种加固后的网架结构，其特征在于：所述索夹包括上夹块和下夹块，上夹块和下夹块通过沉头螺栓连接拉紧，所述上夹块上端面焊接有一衬管，该衬管与撑杆固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种加固后的网架结构，其特征在于：所述网架连接点包括撑杆顶部的锥头和螺栓球，锥头和螺栓球通过一螺栓连接固定。

5.根据权利要求2所述的一种加固后的网架结构，其特征在于：所述拉索锚固节点包括固定于混凝土柱上的支座，支座外侧贴焊有一连接耳板，耳板上通过销轴固定连接有一锚具。

6.一种网架结构加固的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：加固构件深化设计，编制加固施工方案，加固构件采购及加工，撑杆与锥头、索夹上夹块在工厂预先焊接完成；

第二步：加固构件进场，进行加固施工前准备，施工机具准备、场地清理、铺设楼面成品保护措施；

第三步：按加固方案要求，释放网架结构支座水平约束；

第四步：在第五轴楼面搭设移动式操作平台，利用链倒安装第五轴撑杆，将撑杆顶部高强螺栓拧入螺栓球工艺孔约2/3设计深度；

第五步：利用卷扬机牵引放索，将第五轴拉索展开至操作平台，利用倒链安装第五轴拉索，按拉索标定位置逐个紧固索夹，直至第五轴拉索安装到位；

第六步：操作平台移位，重复以上三到五步骤逐轴安装第六轴～第九轴加固构件；

第七步：按张拉方案规定的顺序将所有拉索张拉至设计索力，拧紧所有撑杆顶部高强螺栓，并采用销钉固定；

第八步：按加固方案要求，对个别加固后承载力不足的杆件及套筒进行加固，并固定网架结构支座水平约束，加固施工完成。