“托梁换柱'技术在工业厂房加固改造中的应用xg1

“托梁换柱”技术在工业厂房加固改造中的应用
胡长华
（中冶华天工程技术有限公司，马鞍山）
摘要：“托梁换柱”加固法已经成为工业厂房加固改造中的重要手段之一。

与传统的加固改造方法相比，此种加固法具有施工难度小，影响范围小，施工周期短，改造成本低等优点。

从而能够在短时间内迅速恢复生产，为客户带来可观的经济效益。

笔者针对“托梁换柱”加固法中容易被忽略的问题，提出自己的一些观点和方法。

希望这些结论可为类似结构的加固改造提供借鉴和参考。

关键词：托梁换柱结构加固改造
1 引言
近年来，随着我国钢铁行业的迅猛发展，许多钢铁企业为调整产品结构，淘汰落后产能，进行技术升级改造，对生产工艺和生厂设备进行升级换代，为了降低成本，越来越多的工业厂房需要加固改造，如何做到既节约投资，又能满足生产工艺的要求，这是广大业主的共同愿景。

“托梁换柱”加固法是这类工业厂房加固改造的重要手段之一。

当某柱因为生产设备布置要求需要拔掉时，在该柱吊车梁高度以下设一托梁，将上部荷载传至该柱相邻两侧的柱上，然后截去该柱的下部，从而为生产设备让出足够的空间。

本文结合某钢厂高速线材车间的升级改造，将“托梁换柱”加固法应用在工业厂房加固改造中，不仅节约了投资，而且节省了时间，为业主带来了很好的经济效益[1]。

2 工程简介
某钢厂高速线材车间系单层等高二跨钢结构排架结构（见图1），柱距12m、18 m，厂房全长300m，宽54m。

由于工艺和生厂设备升级改造，需要对其中B轴线某跨抽取一根厂房柱(见图1柱B2），以满足新上工艺和设备的生产空间需求。

厂房平面、剖面图见图1。

a) 厂房平面布置图b) 1-1剖面图
图1 厂房平面、剖面图
3 加固改造方案比较
方案一：拆除与B2柱相关联的所有构件后，开始加固B 列B2柱两侧的厂房柱，新增加B 列8~10轴线吊车梁，新增加B 列8~10轴线托架，新增加9轴线屋架。

抽柱以后，该区域柱距和构件形式都发生了变化，原吊车梁、托架、屋架都无法再使用，需要重新制作。

由于该方案拆除面积大，影响范围广，施工难度大，这样不仅施工周期长，而且改造成本高。

方案二：采用“托梁换柱”加固法。

先在B1柱两侧各增加一根H 型钢柱GZ1，与B1柱连成一体。

在吊车梁高度以下设二根纵向钢梁GL1支承在B1柱两侧的H 型钢柱上。

在B2柱上对称设四个牛腿，每侧两个牛腿分别与一钢梁GL2预先焊接，在B2柱两侧各设一钢梁GL3与钢梁GL1焊接，在每一GL3上柱牛腿位置处设4台千斤顶，4台千斤顶同时分别施加一临时集中荷载F(详见公式1)给钢梁GL1，千斤顶应逐级加载，使托梁产生一定的挠度ω。

在托梁GL1与钢梁GL2之间填板，然后千斤顶应同步卸载，拆除千斤顶后，将托梁GL1与钢梁GL2之间焊接，截去B2柱下部分。

本方案在实施过程中并未涉及屋架、托架、吊车梁等承重结构构件的拆除，仅仅在托梁和柱子之间采取挫施，显然此种加固方案施工难度小，影响范围小，施工周期短，改造成本低，并在短时间内能够恢复生产，为客户带来可观的经济效益。

柱的加固及截断示意图见图２。

4Gg
F = (1)
式中： -F 每台千斤顶施加的临时集中荷载(Kn)；
-G 被截柱所承担的全部恒荷载(含柱自重)(t)；
a) 托梁及柱的加固平面图 b) 1-1剖面图 c) 2-2剖面图
图2 柱的加固及截断示意图
[注]：1-牛腿； 2-千斤顶； 3-钢梁GL1; 4-钢梁GL2; 5-钢梁GL3; 6-垫块；
4 结构加固改造后的强度和稳计算
由于“托梁换柱”加固都是在负荷条件下进行加固的，加固后的构件能否与新增构件结合为整体，共同承担结构传来的所有荷载。

参考相关文献[1][2][3][4][5][6][7]，对于静载结构，当截面一部分进入塑性状态，应力会进行重分配，所以按新老截面共同工作的原则计算。

对于动荷载结构，则塑性区很难形成，不考虑应力重分配，计算时将加固前和加固后的情况分别计算。

另外，在非负荷情况下加固，截面验算按加固后总截面，并考虑加固折减系数，按《钢结构设计规范》计算。

本文仅给出负荷情况下加固的格构柱强度和稳定计算公式，仅适用于静载荷结构。

( i ) , 格构式柱轴心受压柱强度验算
f A A k N N n n ≤++)()
'(' (2)
式中 N ——加固前构件中的轴心压力；
N ＇——加固后构件中附加的轴心压力；
A n ——原有构件的净截面面积；
A n ＇——增加的净截面面积；
k ——加固的折减系数；
f ——钢材的抗压、抗拉、抗弯设计强度。

( i i ) , 格构式柱轴心受压柱整体稳定验算：
f A A k N N z ≤++)'('
ϕ (3)
式中 A ——原有构件毛截面面积
A ＇——增加的毛截面面积
f ——加固后整个截面轴心受压稳定系数，按《钢结构设计规范》采用。

但对虚轴长细比λ应取换算长细比。

( i i i) ,偏心受压格构式柱整体稳定验算：
a) 弯矩绕虚轴(x 轴)作用时，弯矩作用平面内整体稳定验算：
f N N kW M A A k N N Z
EX Z X Z X z x mx z
x ≤-+++)
'1()'('
1ϕβϕ (4) 式中 f x z ——对虚轴(x 轴)的轴心受压构件稳定系数，由换算长细比确定；
W 1x z ——在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量； N EX z ——参数，N EX z = π2 EA/(1.1 λx 2 )；
M x z ——绕虚轴(x 轴)作用的弯矩；
βmx ——等效弯矩系数，按《钢结构设计规范》采用；
b) 弯矩绕虚轴(x 轴)作用时，需要进行单肢稳定计算：
当缀件为缀条时：按上述公式(3)验算格构式柱单肢稳定性。

并且其分肢的长细比λ1不应大于构件两方向长细比(对虚轴取换算长细比)
的较大值λmax 的0.7倍。

6 结论
由上面的分析可知，“托梁换柱”加固法技术可靠，经济适用，施工简便，非常适合工业厂房的加固改造。

采用“托梁换柱”加固法进行加固改造时，必须注意以下几点：
(1)，应验算与被截柱相邻的柱和柱基础承载力，同时应考虑拆除柱子后引起相邻构件的内力变化。

建议截去柱后的排架按抽柱排架计算，划分抽柱排架计算单元进行平面分析[4]。

(2)，当下部柱子被截去后，柱子以上的荷载将全部作用在托梁上，使托梁产生一定的挠度ω，该柱头托架及屋架会突然下沉，在屋架及托架中间节点和支座节点中产生冲击应力，
因这些应力在突然加载后来不及扩散和重新分配，会给原结构带来安全隐患。

所以，在截去下部柱子前，应预先在托梁上施加一集中荷载，使该梁预先产生一挠度，以抵消托架及屋架的沉降量。

该集中荷载为被截柱承担的全部恒荷载(含柱自重)。

这样当柱子被截去后，托架及屋架就不会产生突然下沉。

(3),在施加集中力时，四台千斤顶必须同时同步逐级加载同等大小的集中力，以确保两侧托梁在同一标高水平面上。

(4),当千斤顶工作时，应在托梁GL1与牛腿所带钢梁GL2之间填板，一方面防止千斤顶回落，以免产生危险；另一方面使托梁GL1与钢梁GL2之间紧密结合，以传递柱传来的集中荷载。

见图２。

(5),托梁及牛腿位置宜选在柱肩梁处，一方面柱肩梁刚度比较大，作为被截柱的靴脚比较合适；另一方面吊车梁横向水平刹车力距托梁距离较近，传力路径短，可以直接通过托梁传至相邻柱。

(6),托梁计算应考虑由于托梁对被截柱段上部的弹性嵌固而产生的附加轴力。

【参考文献】
1中国工程建设标准化协会．钢结构加固技术规范．CECS 77：96 [S]．1996
2中华人民共和国国家标准．钢结构设计规范（GB50017-2003）[S]．北京：中国计划出版社，2003
3雷宏刚．钢结构事故分析[M]．北京：中国建材工业出版社，2003.
4马鞍山钢铁设计研究院．筋混凝土柱设计规程（YS09-78）[S]．北京：冶金工业出版社，1983.
5汪一骏，顾泰昌等．钢结构设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2003.
6冶金工业部建筑研究院．钢结构检测评定及加固技术规程．YB9257-96 [S]．北京：冶金工业出版社，1997.
7刘开国．杆系与板系结构的分系方法[M]．北京：中国建筑工业出版社，1980.。