某厂房抽柱研究——120 m 大梁的设计与施工研究

时间：2024-07-28

章燕飞

(攀枝花攀钢集团设计研究院有限公司，四川攀枝花 617023)

传统设计的轧钢厂房，从使用功能、经济方面考虑，对于轨顶标高为20 m、桥式吊车吨位在20 t 左右的厂房，设计一般取柱距为12 m。随着产品的升级，轧制品已由25 m 变为100 m。为了满足产品生产要求，经工艺研究决定后提出了一个过跨方案:在一列轴线要抽掉九根柱，使柱距达到120 m。由于新产品畅销，甲方要求尽量不停产或少停产，或尽可能缩小停产范围。这样就提出了一个长120 m 大梁在不影响生产的条件下的设计及施工问题，本文就此问题的解决过程和一些想法与同行商榷。

1 工程概况

该厂房竣工于20 世纪60年代末，共五跨，平面尺寸(宽×长):135 m×504 m，轨顶标高20 m，跨度27 m，每跨有3 台、起重量为20 t 的桥式吊车，厂房柱为钢筋混凝土斜腹杆双肢柱，吊车梁为腹式预应力吊车梁，屋架为预应力钢筋混凝土梯形屋面梁，屋面板为大型预应力钢筋混凝土屋面板，基础为独立基础。

2 结构方案确定

根据荷载情况、经济性、不停产(或者少停产)施工的难易程度、施工的可靠性、工艺要求、可行性等因素的作用下，设计经多方案比选，最后结构设计方案确定为:在所抽柱的下柱(标高6 m 以上)设一巨型空间桁架(图1)。

3 设计

3.1 荷载取值

该工程是在不停产的条件下进行施工的，因此，荷载选用要考虑两个状态:一是正常使用状态下的荷载取值;二是施工状态下的荷载取值。

正常使用状态下的荷载取值，按《建筑结构荷载规范》GB 50009－2001(2006年版)取值，施工状态下的荷载取值要考虑到施工过程中的受力状态。在构件加工、制作、安装过程中，结构不受力;在原厂房柱切割的过程中，桁架慢慢受力。只要受力就会使桁架产生变形，为了不让这种变形影响厂房的安全使用，必须增设施工机构(另论述)。在此过程中，吊车暂不运行。荷载有:屋面活荷载(一定量的积灰荷载)，风荷载、地震荷载均不考虑，只需计算标高6.000 m 以上的恒载。

图1 巨型梁

3.2 计算简图

计算简图的选取也要考虑正常使用状态与施工状态。

正常使用状态下，原厂房柱底面(基础顶面)标高为－0.500 m。在增加了巨型桁架后，柱底面(即桁架顶面)标高变为15 m。这样的情况下，增加了原厂房柱的抗侧移刚度。虽然施工过程中要采取措施，使厂房的竖向变形为零，甚至高出一点，但是桁架的侧向位移使原保留的厂房柱的刚度降低。该桁架为空间桁架，自身具有一定的抗扭刚度(对原厂房柱讲，就是抗弯刚度)。因此，桁架对原厂房柱的抗弯约束达不到嵌固端的要求，桁架的抗扭刚度降低了原厂房柱的抗侧移刚度。图2、图3 分别为抽柱处的计算简图和桁架的计算简图。

桁架在竖向、水平(即柱脚的轴力、剪力)力作用下，两端为简支(见图3a);在扭矩(柱脚弯矩)作用下，两端为嵌固(见图3b)。

图2 原厂房抽柱处计算

图3 桁架计算

施工状态的计算简图。施工状态只在切割原厂房柱时及以后桁架才会受力，此时的活荷载、水平力均不考虑。为了保证厂房在正常使用时不受桁架竖向刚度的影响而产生下沉，必须设置一个机构，使桁架能逐渐承担起厂房的恒载。此时，抽柱处的计算简图见图4。

图4 抽柱处的计算

3.3 构件截面计算

根据荷载取值，计算简图以正常状态为计算对象，对施工状态进行验证，得到了桁架构件断面如下(图5):

根据大梁传至厂房柱的总荷载，验算并对原厂房柱及基础进行加固。经计算，加固后的柱断面为1000 mm×3200 mm;对原厂房柱基础进行加固，经多方案比较后，采用了4个桩基加固原基础。

图5 桁架构件

4 施工

该桁架巨型梁外廓尺寸(宽×高×长):3.8 m×8 m×121 m，总重830 t。经多方案比较，采用现场制作的施工方案。

施工顺序是:加固原厂房柱基础，加固原厂房柱，现场制作桁架巨型梁，顶升，将原厂房柱固定在巨型桁架梁上，切割巨型桁架梁下的原厂房柱。

现场制作采用满堂红架子。由于在原厂房恒载与巨型桁架梁自重的作用下，巨型桁架梁在跨中产生的挠度为32 cm，为了保证原厂房使用功能，巨型桁架梁需在正常使用时进行平整，因此在制作巨型桁架梁时要起拱32 cm。

在巨型桁架梁制作完成后，就要进行顶升工作:

(1)顶升工作的目的:在切割原厂房柱时不致使原厂房受损。为了达到这个目的，顶升的条件是:巨型桁架下的原厂房柱应力为零。

(2)顶升的机具:油压泵加千斤顶。所有的千斤顶由一个油压泵加压。由于千斤顶的行程为10 cm，但实际行程应为32 cm。因此，靠边的两个柱要准备两套千斤顶、两个油压泵。每个柱的竖恒载132 t，选用4个50 t 的千斤顶，双向对称布置。

(3)备足钢垫板。在原厂房柱上设一个牛腿，确保千斤顶的力传给柱。

(4)顶升的顺序。先给一套系统加压，待该系统的千斤顶达到最大行程时固定，再安装第二套系统，给第二套系统加压，待第二套系统千斤顶达到最大行程时固定，这样依次进行。由于切割柱的数量对称，巨型桁架梁在每个柱处产生的变形不同，计算出巨型桁架梁在每个柱处产生的挠度。千斤顶更换的次数及行程由它决定。经计算可知，原厂房恒载使巨型桁架梁产生的最大挠度为16 cm，其余依次为10.6 cm、5.3 cm。

(5)检测。这是本施工阶段的一个重要环节，采用两套系统进行检测:一个是检测油压压力;另一个是检测巨型桁架梁的变形。若两者同时达到设计值，就停止加压;若两者只有一个达到设计值，可再稍加压后再停止。

(6)施工过程中几个问题的处理。

①原厂房柱与巨型桁架间存在摩擦力。由于该摩擦力影响油压，可采取磨光原柱表面并涂上一层黄油的措施来消除这个摩擦力。

②桥式吊车不应在此区域段运行，要在该区域段两头的轨道上设卡子，阻止吊车运行;

③观察。对该区域及附近的原厂房的柱、吊车梁、屋架及本设计中的巨型桁架进行连续观察。一旦发现问题，要立即停止顶升，待问题处理完后方可再次顶升。