鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件撓度過大的分析與解決方法

曾思智 黃秋紅 王秋平

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)由于其良好的性能等而被廣泛用于實(shí)際工程中,然而由鋼結(jié)構(gòu)帶來的許多問題也隨之產(chǎn)生。對(duì)于一般的多高層建筑工程,為便于頂層采光,業(yè)主通常會(huì)要求在天面處做天窗以滿足要求。天窗的頂面一般會(huì)采用鋼結(jié)構(gòu)屋架,屋架的上面鋪low-e隔熱玻璃。由于鋼屋架自身重量和玻璃的自重較大,當(dāng)跨度較大時(shí),在滿足強(qiáng)度要求時(shí),跨中的撓度通常容易被設(shè)計(jì)和施工單位所忽視。

1 工程概況

南昌某辦公樓上部8屋、地下1層,地面以下高度為33.5 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),主體結(jié)構(gòu)已完工。鋼屋架將架立在短柱上。鋼屋架長(zhǎng)14.4 m,寬8.4 m。設(shè)計(jì)時(shí)鋼屋架采用普通工字形鋼,按井字形排布,工字鋼之間剛接連接。設(shè)計(jì)時(shí)按最不利工況計(jì)算的跨中最大撓度為32 mm(加玻璃重量)滿足規(guī)范要求。而施工現(xiàn)場(chǎng)僅安裝了工字鋼后,跨中的撓度就達(dá)到30 mm,大大超出了設(shè)計(jì)要求。

2 分析撓度過大的原因

鋼結(jié)構(gòu)施工中造成撓度過大的原因很多,如鋼梁自身的變形、施工環(huán)境和順序、節(jié)點(diǎn)連接等。

1)鋼梁自身的變形。較長(zhǎng)的鋼梁往往由于自重將會(huì)產(chǎn)生較大的變形,《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,為了不影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的正常使用和觀感,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形(撓度或側(cè)移)規(guī)定相應(yīng)的數(shù)值。且為了改善外觀和使用條件,可將橫向受力構(gòu)件預(yù)先起拱,構(gòu)件的撓度應(yīng)為荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下計(jì)算的撓度減去起拱的大小。當(dāng)跨度較大時(shí),對(duì)主要構(gòu)件預(yù)先起拱是必要的。

2)施工環(huán)境和施工順序。鋼結(jié)構(gòu)施工就是將加工制作好的構(gòu)件,按照一定的次序,拼好吊裝到預(yù)定的位置,然后進(jìn)行測(cè)量連接,逐件逐單元地集成并最好形成結(jié)構(gòu)體系的過程。鋼屋架的施工環(huán)境一般為低空作業(yè),操作位置變換相對(duì)較小,操作空間良好。鋼屋架四周和兩中柱間的鋼梁應(yīng)最先施工,再施工豎向的鋼梁,接著施工橫向的鋼梁,將各節(jié)點(diǎn)剛接,形成整體的受力體系。在施工過程中,豎向鋼梁將被剛接在兩中柱間的鋼梁和兩端的鋼梁上,由于鋼梁的自重較大,兩中柱間的鋼梁在施工過程中應(yīng)頂住,防止豎向鋼梁的自重在未形成整體受力體系前全傳至中間鋼梁上,增大中間鋼梁的變形。

3)節(jié)點(diǎn)連接的影響。本工程節(jié)點(diǎn)的剛性連接是將剛接的腹板和在鋼梁的側(cè)面加加勁肋用螺栓固定,再焊接連接。

螺栓連接裝配的主要技術(shù)要求是獲得規(guī)定的預(yù)緊力,螺栓、螺母不產(chǎn)生偏斜和彎曲,防松裝置可靠。主要表現(xiàn)為：螺栓與工件貼合的表面要光潔、平整,否則容易使連接件松動(dòng)或使螺桿彎曲;接觸表面應(yīng)清潔,螺栓連接孔內(nèi)的異物應(yīng)清理干凈;應(yīng)按一定的順序擰緊,否則會(huì)使工件產(chǎn)生松緊不一致甚至變形。

焊接過程獲得無缺陷的焊接接頭在技術(shù)上是相當(dāng)困難的。鋼結(jié)構(gòu)焊接中的缺陷不僅影響焊接接頭的質(zhì)量,還會(huì)直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的安全使用。對(duì)焊接缺陷進(jìn)行分析,一方面是為了找出產(chǎn)生缺陷的原因,從而從材料、工藝、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等方面采取有效措施防止缺陷的產(chǎn)生;另一方面,為了在鋼結(jié)構(gòu)制造或使用過程中,能夠正確地選擇檢驗(yàn)的技術(shù)手段,及時(shí)地發(fā)現(xiàn)缺陷,從而定性或定量地評(píng)定鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,達(dá)到焊接檢驗(yàn)預(yù)期目的。焊接缺陷將對(duì)構(gòu)件的脆性斷裂、疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕開裂等造成很大影響。

在現(xiàn)場(chǎng)的施工過程中,施工人員未將兩中柱間的鋼梁預(yù)先起拱;且在施工豎向鋼梁時(shí),未將兩中柱間的鋼梁頂柱以防止鋼梁在形成整體結(jié)構(gòu)前撓度大幅度增大。然而,在設(shè)計(jì)軟件中對(duì)前兩種情況綜合分析,兩中柱間的撓度比理想中鋼梁跨中撓度增大8 mm,即為18 mm,現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生的撓度約為計(jì)算的2倍。

綜合考慮其他因素,過大的撓度原因還包括兩方面：構(gòu)件初始撓度中,除自重產(chǎn)生外,構(gòu)件本身也存在一定的初始撓度;節(jié)點(diǎn)連接過程中,焊接存在較大的缺陷。過大的撓度和焊接的缺陷,對(duì)鋼屋架的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。

3 現(xiàn)場(chǎng)解決方法

現(xiàn)場(chǎng)已對(duì)焊接采取補(bǔ)救措施,焊縫經(jīng)超聲波探傷進(jìn)行內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn),已滿足設(shè)計(jì)和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求。然而過大的撓度已存在,即便將撓度過大的梁用千斤頂將其頂平,撤掉千斤頂后撓度依舊存在。本工程在跨中采用了桁架結(jié)構(gòu),能很好的控制跨中撓度,且減小了鋼梁的受力,增加了穩(wěn)定性。

桁架加固法：本文提出的新型加固方法見圖1,將鋼梁當(dāng)作桁架的上弦桿,下弦桿和腹桿均采用熱軋無縫鋼管。豎向與兩端的腹桿應(yīng)與下弦桿截面相同,其他腹桿可使用較小截面。且部分豎向桿件應(yīng)布置在縱向鋼梁與該梁相交處的下端。在兩端的腹桿與鋼梁相交處,剪力較大,應(yīng)在腹板兩端對(duì)稱布設(shè)加勁肋。

具體施工方法為：先將兩柱之間撓度過大的鋼梁頂平,再將腹板、下弦桿焊接在鋼梁上,焊縫質(zhì)量一定要滿足要求。該方法已成功的應(yīng)用到該工程中,不但對(duì)整體結(jié)構(gòu)的美觀產(chǎn)生影響,還取得了良好的效果。

4 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工中,構(gòu)件撓度的控制極其重要。影響構(gòu)件撓度的因素很多,本文著重分析了構(gòu)件自身撓度、施工環(huán)境和施工順序、鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)等。

總結(jié)出在設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)按規(guī)范對(duì)構(gòu)件預(yù)先起拱,以減小構(gòu)件由恒、活荷載帶來的撓度;施工時(shí),施工人員應(yīng)對(duì)重要的構(gòu)件在施工過程中特別注意對(duì)撓度的控制,可先用千斤頂頂住構(gòu)件,等結(jié)構(gòu)形成整體受力體系時(shí)再卸載;另外,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的焊接和焊接帶來的缺陷應(yīng)予以重視。

當(dāng)產(chǎn)生較大撓度而無法挽回時(shí),可考慮使用本文的桁架加固法,對(duì)控制構(gòu)件的撓度能取得很好的效果。桁架加固法的造價(jià)不高,且對(duì)整個(gè)鋼屋架的美觀不會(huì)產(chǎn)生影響,是經(jīng)濟(jì)、理想的加固方法。

[1]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003.

[3]GB 50205-2001,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[4]王國(guó)凡.鋼結(jié)構(gòu)加工工程檢驗(yàn)與驗(yàn)收[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[5]王繼紅.施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的影響[J].電焊機(jī),2009,39(3)：21-24.