托梁截柱技术在排架厂房改造中的应用
尉国勤
(新临钢集团 临汾 041000)
摘 要:在钢筋混凝土排架结构厂房改造中,采用托梁截柱的方案,并针对工程特点,辅之以树根桩加固地基,承台梁加固柱基础,钢板湿包法加固牛腿和厂房柱翼缘,利用厂房柱工字形横截面构造特点,拆割腹板设置钢托梁托起厂房柱等技术手段,有效地解决了该厂房改造的难题以及生产与施工的矛盾。 关键词:单层厂房 改造 加固 托梁截柱
APPLICATIONOFCUTTINGCOLUMNWITHBEAMSUPPORTEDINTHEPROCESS
OFTRANSFORMINGASINGLE-STOREYINDUSTRIALBUILDING
YuGuoqin
(ShanxiXinlinIron&SteelGroupCo.,Ltd Linfen 041000)
Abstract:DuringreformingthemillbuildingofRCbentframe,itissolvedeffectivelytheproblemsandthecontradictionbetweentheproductionandconstructionbythefollowingtechniques:theschemeofcuttingcolumnwithbeamsupported;accordingtothefeaturesoftheproject,usingrootpiletostrengthenthefoundation;usingcapbeamtoreinforcecolumnbase;steelplateisalsousedtostrengthencorbelandcolumnflange;andusingthefeatureofI-sectioncolumntocutwebandsupportthecolumnbysteeljoist.
Keywords:single-storeyindustrialbuilding transformation strengthen cuttingcolumnwithbeamsupported
0 引 言
某公司炼钢出坯系统工艺落后,产量低,已无法适应公司开发新品种、实现跨越式发展的要求,进行必要的技术改造势在必行。在技术改造中,为充分利用现有的生产流程,最大限度地利用原有厂房,通过对原有厂房进行局部改造,使厂房有效可利用空间扩大。原有厂房柱距为6m,为满足新的生产工艺流程要求改造须将柱距局部扩展为12m。1 工程概况
1号精整跨为装配式钢筋混凝土排架结构,跨度24m,长度261m,柱距大多为6m,排架柱为钢筋混凝土工形柱,下柱截面1000mm@500mm,上柱截面为800mm@500mm,边柱侧面牛腿范围设置两块115m高墙板;屋盖为24m跨预应力钢筋混凝土折线形屋架,大型预应力钢筋混凝土屋面板;基础为钢筋混凝土有梁式条形杯口基础;厂房地坪标高为?01000,柱顶标高1215m,牛腿顶面标高为7185m;吊车梁为钢梁,该跨天车为300kNP50kN、Lk=2215m,4台(原为300kNP50kN,3台),见托梁截柱平面(图1)。工艺要求将炼钢厂主厂房1号精整跨X列7号柱拔掉,将此区域由6m柱距改为12m柱距,加固两侧X列6号、8号柱及基础。2 托梁截柱方案211 方案提出与分析
IndustrialConstructionVol138,No14,2008
作 者:尉国勤 男 1966年3月出生 工程师收稿日期:2007-10-11
1-2号方坯出坯冷床;2-2号板坯连铸机中心线;3-2号板坯出坯冷床;4-2号板坯连铸机延长二切割区
图1 托梁截柱平面
Fig.1 Planofcuttingcolumnandsupportingbeam
根据托梁拔柱的施工方法,通常采取以下步骤:加固与被拔厂房柱相邻的两个柱,在被拔柱吊车梁牛腿上设置临时小钢柱,将小钢柱下部和被拔柱用型钢箍连成整体,在小钢柱顶设置顶升千斤顶,将屋架托起10~20mm,使屋架与厂房柱脱离;凿掉拔柱牛腿以上设置托架范围的钢筋混凝土上柱部分,加新托架,新托架与被拔柱相邻的两个柱焊接;随后缓慢操作千斤顶降下屋架,屋架落在新托架上;最后将所拔柱
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全部拆除,更换吊车梁。号柱,另一根钢梁安装到6号、8号柱内侧设置的牛腿上,加钢板托,托起X列6~8号柱牛腿下部,以承载厂房柱牛腿的偏心力;4)焊接钢梁与加固钢板,而后用钢板带和扭剪型高强螺栓将H型钢梁锚连接成为一体;5)凿除X列7号柱4145m标高以下部分。3 结构加固与施工
311 基础及柱加固设计与施工
拔掉7号柱后,其上部荷载变化为:6号、8号柱由原承受6m柱距荷载变为承受9m区域的屋面荷载和吊车梁荷载以及9m区域的火车拉运铸坯的动荷载外,又增加2号板坯移动辊道传递到基础上的板坯荷载,增加的荷载由6号、8号柱基础承担,则需对相邻柱基础进行加固加宽,根据原基础地基处理和地质情况及基础沉降要求选用土方开挖量少、对原基础破坏程度轻的树根桩上设置承台梁来补强基础方法加固基础,其传递荷载的原理为:1)通过树根桩和承台梁承载增加的荷载;2)通过加固柱承担增加的荷载。具体做法为:1)在条形基础外边缘两侧各设置4根<350、长度分别为20、20、18、16m的钢筋混凝土树根桩(靠近12m跨内侧桩长依次由长变短,顶标高为有梁条形基础顶),每根桩应连续施工,争取在尽量短的时间内完成;2)在平行X列轴线、树根桩上设置700mm@1200mm钢筋混凝土梁作为次承台梁,在垂直X列轴线和平行主承台梁紧靠杯口设置700mm@1200mm钢筋混凝土梁作为主承台梁,在次承台梁上为一平面3000mm@3400mm、厚500mm钢筋混凝土筏板,承台梁与筏板应同时一次浇筑完成,且在主承台梁插入加固包柱的主钢筋。见基础加固平、剖面(图3);3)将6号、8号柱由截面500mm@1000mm加固变成700mm@1660mm截面(跨内侧一面为560mm),柱加固高度为417m,顶部预埋钢板埋件,见柱加固剖面(图4);4)基础和柱加固采用C25混凝土,杯口外壁和原厂房柱表面外清扫干净并凿毛10~15mm,使新旧混凝土结合紧密,为确保新旧混凝土传力可靠,在杯口外采用植筋(<18@200梅花状布置,环氧树脂砂浆锚固,锚入不小于200mm),柱身同样植筋(翼缘为<18@200,钢筋上下两层间距1000mm;腹板为<10@200,穿透腹板并与柱箍筋一同绑扎)。
1-原上柱支撑;2-新增上柱支撑;3-2号精整跨;4-新增下柱支撑
图2 托梁截柱1-1剖面
Fig.2 Section1-1ofcuttingcolumnandsupportingbeam
但是,该工程不适合采用此施工方法,原因是:1)该厂房建于20世纪70年代后期,其屋架及屋面板均不宜有较大的扰动,且厂房内温度达80e左右,厂房本身存在有使用上的安全隐患。如将屋架托起势必造成屋架及屋面板变形且在屋盖系统各构件之间产生新的内力,这样极易对构件造成损坏。2)1号精整跨X列7号柱为2号方坯和2号板坯两条生产线出坯的必经之地,吊车梁牛腿上设置钢柱,拆除原有钢吊车梁,将面临两条生产线无法出坯停产,且停产实施该项目势必影响炼钢厂当年的产量和公司利润。212 方案进一步讨论
方案进一步讨论时也考虑了用现浇钢筋混凝土托梁实施托换柱方案。经论证,该方案虽有一定的可行性,却存在工期较长,混凝土梁浇筑后天车运行有振动和难于保证混凝土托梁不出现裂缝缺陷。经过详细地实地考察和分析工字形厂房柱的截面构造和受力特点,并结合天车运行情况,大胆提出/托梁截柱0方案:1)除按设计加固X列6号、8号柱基础外,同时考虑工字形厂房柱表面碳化程度,采用钢筋混凝土对X列6号、8号柱下柱进行全包加固,且在厂房柱内侧各设置一牛腿,加固高度从基础到牛腿以下417m标高处;2)采用粘钢补强加固X列6~8号柱牛腿以下到4145m标高,该段柱只加固工字形厂房柱的截面翼缘部分,腹板待翼缘加固完成后凿、割成孔洞;3)设置两根截面高度相同的H型钢梁,一根钢梁穿过已经拆除的厂房柱腹板的孔洞,托起X列7
图3 柱基础及柱加固平、剖面
Fig.3 Planandprofileofcolumnbaseandstrengthenedcolumn
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l-»号短梁安装尺寸
图4 柱加固剖面
Fig.4 Profileofstrengthenedcolumn
图6 穿腹板托梁安装顺序
Fig.6 Erectionorderofthejoistthroughweb
312 托梁与牛腿部位粘钢板加固设计与施工
由于边柱为偏心受压构件,工字型截面外翼缘受拉,内翼缘受压,中和轴在腹板区域,6号、8号柱分担7号柱承受面。
调平钢托梁后,钢托梁与7号柱孔洞顶部的缝隙加垫钢板,用楔铁打紧焊牢,用钢板条将托梁与加固钢板焊接,两根的荷载后,中和轴将更扁向内翼缘或变成大偏心受压构件,且6号~8号柱腹板拆除,截面削弱;牛腿顶面吊车梁传递给牛腿的集中力也响应加大,牛腿顶面受拉,垂直面受剪出现裂缝的趋势加强。所以采用钢板湿包法加固牛腿与搁置托梁段厂房柱。包钢板之前,用砂轮机磨光混凝土柱表面,用M12膨胀螺栓锚入混凝土,间距500mm一个,作为挂钢板和保证钢板与混凝土之间间隙(间隙设为10~15mm)的支点,加固钢板的四个面每隔500mm高留一个灌注结构胶的孔洞;钢板下料应准确,焊接缝部位打坡口,加固钢板挂安间隙调整无误点焊;在焊接过程中要求焊缝对称施焊,并采取防变形措施,焊缝均应达到二级焊缝要求;焊接完成后,采用压力灌注结构胶,灌注顺序从下到上,在灌注过程中用橡胶锤敲打钢板,使钢板与柱之间的空隙充满结构胶,确保钢板与混凝土粘牢。
1-钢板垫板;2-牛腿下钢板托;3-钢板条与钢梁肋板和包钢板柱连接
4-托梁;5-20mm孔隙
图5 穿腹板托梁与工形柱及牛腿下托梁与牛腿的连接位置Fig.5 Theconnectingpositionamongthejoistthroughweb,
I-columnandthejoistbelowcorbel
313 钢托梁的设计与安装
7号柱的屋面和吊车梁荷载需用托梁传递至加固柱上,使荷载发生传力转移,从而达到可以拔柱的目的,为减少截柱后托梁的下挠,提高钢托梁的刚度,将托梁设计成H型钢梁。钢托梁制作在场外进行,制作时,对钢托梁预加一定的拱度。先吊装穿过6~8号柱腹板的钢托梁,由于钢托梁截面较高,孔洞高度和柱间距,须把钢托梁分三节制作,三节钢托梁之间设置连接端板,端板之间预留配钻螺栓孔,分节安装空中对接,用扭剪型高强螺栓钢连接端板;然后吊装厂房柱内侧钢托梁及牛腿下部钢托,用钢托托起牛腿斜底托梁截柱技术在排架厂房改造中的应用)))尉国勤,等
钢托梁之间设置竖向剪刀支撑,用钢板带和扭剪型高强螺栓将H型钢梁锚连接成为一体,见托梁位置、托梁之间连接(图7)。
图7 托梁之间连接Fig.7 Theconnectionbetweenjoists
314 截拆柱子
托梁安装完毕后,用静力切割法将7号柱在标高4145m处截断,将底面用钢板封严与加固钢板焊接,孔隙灌注结构胶;拆除7号柱下柱及杯口基础。
4 施工中注意的事项
1)树根桩施工时,停止火车拉运铸坯,要注意井架不要被运行的天车碰撞,树根桩成孔后,应立即浇灌,防止孔内塌陷。
2)拆除腹板和安装三节钢托梁期间,在该施工区域天车通行应缓慢运行,或者选择系统检修时间进行。
3)为保证托梁截柱安全实施,降低风险,在5~9号柱上柱之间增加柱间支撑,5号、6号、8号、9号下柱增加柱间支撑,6~8号屋架之间增加屋架端部竖向支撑。新增柱间支撑施工完毕后,可拆除,见图2。5 经济效益与社会效益
1)/托梁截柱0的施工方法,成功地把厂房柱截掉,将6m柱距扩为12m,实现炼钢厂要求的/施工与生产两不误0的目标,整个托梁截柱全过程用时30d就完成施工任务,为2号
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图9 跨中位移对比
Fig.9 Displacementcomparisonofmidspan
图11 碳纤维索应力对比
Fig.11 Stresscontrastofcarbonfibercables
坏时梁LPCSa中钢筋刚刚屈服,其塑性应变尚未充分发挥,梁顶混凝土也未被压碎,梁LPCSb也是在钢筋屈服后不久随碳纤维索被突然拉断而破坏。图11为弯矩与碳纤维索拉应力变化关系曲线,可以看出,破坏时碳纤维索极限应力均小于其极限拉应力fpu,LPCSa破坏时碳纤维索平均应力为1725MPa,LPCSb破坏时碳纤维索平均应力为1608MPa;与LPCSb相比,LPCSa中碳纤维索初始应力Rp0高,屈服弯矩高于梁LPCSb的屈服弯矩,但极限弯矩却比梁LPCSb低,除了梁LPCSb中转向块间距小,碳纤维索与梁变形差小之外,碳纤维索被提前拉断也是主要原因。
3 结 论
本文对碳纤维索体外预应力加固方法进行了试验研究,对采用碳纤维索体外加固的混凝土梁各项受力性能进行了对比分析。后续研究中若对碳纤维索体外预应力施工工艺作进一步改进,则加固梁的极限承载力会比本文试验值进一步提高。分析碳纤维索被提前拉断的主要原因在于:碳纤维索断口处刚好位于梁端部钢制反力支座开孔处,碳纤维索张拉时,碳纤维索与孔边缘并未接触,当梁受力后变形较大时碳纤维索与孔边缘接触,摩擦后在碳纤维索上切出缺口,产生应力集中,梁上荷载增加,索中应力较高时碳纤维索提前被拉断;碳纤维索抗剪强度较低,在张拉结束对碳纤维索固定锚具和转动锚具中自带螺帽导致碳纤维索转动,后续受力时除了轴向拉应力外,碳纤维索一直还承受着一定的扭矩,当拉应力较高时也会导致碳纤维索被提前拉断。
参考文献
1 NaamanAntonieE.ANewMethodologyfortheAnalysisofBeam
图10 受拉钢筋应变对比Fig.10 Straincontrastoftensilerebars
PrestressedwithExternalorUnbondedTendons.ACIStructuralJournal,1990,SP120-16:339-354
(上接第115页)
板坯连铸机延长工程按期(总工期75d)完成提供了保障,并保证了当年钢产量和利润的顺利完成。类似项目)))/托梁拔柱0工程在实施过程中须停产施工,按停产15d计,影响炼钢厂当年方坯和板坯产量为:1195万t、3145万t,影响当年利润:1195万t@141元Pt+3145万t@4513元Pt=4311235万元。
2)减少1号精整跨天车作业率,使天车作业时间平均分配于1号精整跨及2号精整跨。这样,减轻了1号精整跨轨道及两部天车因过度疲劳带来的备件及人员的连续消耗。此项节省备件费用约20万元P年。
3)铸坯垛位降低后,减轻了天车大梁经过铸坯时及对厂房屋架的炙烤,改善了1号精整跨工作环境和厂房的使用条件。
6 结 语
经过沉降观测和一年多的观察,托梁下沉在规范允许范围内,屋架、支撑、屋面板均保持完好。在企业技术改造过程中,要充分利用原有厂房,托梁截柱施工方案是工期最短、投资最少、对原有生产线影响最小的施工方案,值得推广。12m托梁截柱项目不停产的成功实践表明,此施工方法可适用于将柱距扩大为18m跨距。
4)板坯从2号精整跨出坯后,缓解了1号精整跨存放铸坯的压力,大大改善了连铸机的后步工序,为铸坯热送创造条件。
5)对基础的破坏小,土方开挖量和植筋量少。
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