某鋼桁架設計缺陷分析與加固

王 總

(上海水石建筑規劃設計股份有限公司重慶分公司 重慶 400000)

0 引言

桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結構。從受力形式上分平面桁架和空間桁架。桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，能充分利用材料的強度，在跨度較大時可比實腹梁節省材料，減輕自重和增大剛度。在大型的體育場館、航站樓、火車站等公共建筑的屋蓋中，廣泛采用鋼桁架。桁架的桿件可為圓鋼管、H型鋼、角鋼。角鋼桁架整體剛度大、自重輕，適用跨度在18m～36m，故在已建成的工業廠房中，屋蓋多采用角鋼桁架。

與其它建筑材料相比，鋼材強度要高得多，在相同的結構體系和荷載情況下，鋼結構構件截面較小，結構或構件受壓時的穩定問題在鋼結構設計中非常突出。近年來，鋼屋蓋整體坍塌事故屢見不鮮。如2008年南方雪災，導致縱多鋼結構廠房發生倒塌。文獻[1]對其中一個門剛廠房的倒塌進行了深入分析，其中一個原因就是桿件的穩定應力比超限。因此，設計時應避免鋼結構的局部或整體穩定破壞。

1 工程概況

該工程為某中學藝術中心，屋蓋采用梯形鋼桁架。建筑安全等級二級，結構重要性系數1.0，設計使用年限50年，結構維修年限為10年。該地區抗震設防烈度為6度，考慮到該建筑的重要性，設計時將抗震設防烈度提到7度，設計基本地震加速度為0.10g，抗震等級為三級，設計地震分組為第一組。基本風壓0.4kN/m2。原設計荷載屋面上弦恒載0.3kN/m2，下弦恒載0.2kN/m2，活荷載0.5kN/m2。圖1～圖5分別為該建筑主體結構布置圖、屋頂鋼桁架布置圖、鋼桁架詳圖、檁條布置圖及其中一品縱向支撐詳圖。

該建筑存在嚴重的質量問題，而此時所有的鋼屋架、檁條已經安裝完畢，存在安全隱患。經當地建委質量抽查發現，該工程在設計上的一些問題進行分析，如表1所示。

圖1 鋼桁架下部主體結構平面布置圖

圖2 屋頂鋼桁架布置圖

圖3 鋼桁架(GWJ2)詳圖

圖4 屋面檁條布置圖

圖5 縱向支撐CC2詳圖

桿件類別截面鋼號上弦桿2L90×90×6Q345腹桿2L50×50×5Q345下弦桿2L90×90×6Q345

2 檁條布置位置有誤

對于桁架結構，荷載通過節點傳至各個桿件，所有的桿件均為二力桿，只承受拉力或者壓力。所以，檁條一般布置在桁架節點處。對比圖3和圖4可以發現，檁條并未布置在各個節點處，有的檁條甚至位于桿件的跨中位置，導致上弦桿從軸向受力構件變成壓彎構件。原因在于：假定上弦桿按照軸心受壓構件計算出來的強度應力比為0.7，此時該構件具有較大的強度富余。根據文獻[2]5.1.1條，可計算出N=461.3kN。按原始荷載計算，當檁條位于桿件跨中時，M=1.65kN·m，則根據文獻[1]5.2.1條可求得強度應力比為0.9，應力比增大29%，同時，根據經驗，強度應力一旦達到0.9，其穩定應力基本都會超限。故該構件按現有的檁條布置方式，很有可能產生瞬間的失穩破壞。因此，該檁條位置布置不當，需調整到節點位置處。

3 荷載不足

該建筑屋面采用雙層彩鋼板夾100mm厚保溫棉，根據文獻[3]附錄A，該荷載為0.24kN/m2，再加上檁條、水平拉條等附屬構件的自重，原設計輸入的恒載為0.3kN/m2剛好滿足設計需求。屋面為不上人屋面，活荷載取0.5kN/m2，原設計滿足條件。對于此類藝術中心，屋架的下弦會設置隔聲設備、吸音設備、音響、大吊燈、裝飾天棚、帷幕等，按經驗估算，下弦荷載為0.7kN/m2左右，但原設計下弦恒載僅為0.2kN/m2。原設計總恒載為0.5kN/m2，現總恒載為1.0kN/m2，是原有恒載的2倍，荷載嚴重不足，屬違反結構設計的強條。對于學校類公共建筑，荷載不足將產生巨大的危害。因此，需按照實際荷載重新設計此桁架或者對其進行加固。

4 荷載傳遞方式錯誤

圖6為原屋面荷載傳力簡圖，屋面荷載通過鋼桁架上弦節點和縱向支撐節點傳力給主桁架和縱向支撐。該傳力方式的錯誤之處在于：

(1)檁條支撐于主桁架上弦節點，屋面彩鋼板上的附加恒載和活載傳力給檁條，檁條通過上弦節點直接傳力給主桁架，但縱向支撐的上弦節點并未承受任何節點荷載，故采用這種全節點方式進行荷載傳遞，與實際構件布置不匹配，使計算出來結果不準確。

(2)原設計將縱向支撐當成受力桁架，與主桁架共同受力計算，形成空間傳力體系，計算方式不妥。圖5所示的縱向支撐，其面外支撐為兩端的主桁架，間距為7m，中間無任何側向支撐點。對于上弦受壓弦桿，面外計算長度L=7m，長細比λ=170>150，不滿足規范的要求。圖2中的縱向支撐CC3，側向支撐點間距為8m，λ=198>150，不滿足規范的要求。根據文獻[4]的理論，下弦出平面自由長度大于節間長度3倍者，很難對受壓腹桿提供足夠的彈簧剛度，亦即該支撐的受壓腹桿穩定性也不滿足要求。

因此，將縱向支撐當成受力桁架計算，不滿足穩定計算要求，過高估計縱向支撐的承載力，降低了主桁架受力，應按單向傳力體系計算，縱向支撐是主桁架的側向構造支撐，可作為整體結構安全儲備考慮。

圖6 屋面荷載傳力簡圖

5 受壓腹桿的選取

(a) (b)圖7 角鋼拼接形式

在角鋼桁架中，角鋼一般采用雙拼的形式。常用的拼接形式如圖7所示。對于受壓腹桿，多采用圖(a)組合方式。以L90×10等邊角鋼組合為例，肢距10mm。若面內計算長度為2.5m，則長細比λa=60.7，λb=91.6，很顯然圖(a)安全儲備會更高。故對于受壓腹桿，宜采用圖(a)拼接方式，強度更高，也不影響其余構件安裝。原設計采用圖(b)拼接方式，沒有足夠的富余。

6 結構概念設計有誤

從圖3可以看出，該鋼桁架跨度26.4m，端部高度0.8m。按照文獻[5]要求，立體桁架高度可取跨度的1/12～1/16，即便按最小值1/16取值，桁架高度也應為1.65m，該桁架高度遠不能滿足設計需要。結構設計首先需要滿足概念設計要求，但此桁架不滿足。

根據工程經驗，角鋼桁架屋蓋結構，隨著時間推移，角鋼拼縫處大量的局部銹蝕無法處理，后期維護成本極高，故此類結構大多用于工業廠房中。并且，通常計算時，鋼型材厚度都應折減。比如，采用10mm厚的角鋼，在計算時宜按8mm～9mm取值。故對于此類重要的公共建筑，不宜采用角鋼桁架結構形式，宜采用管桁架或者H型鋼桁架。另外，從圖1可看出，屋蓋周邊均有結構柱，故也可采用周邊支撐的網架結構形式，既美觀，受力又合理。而該屋蓋結構設計采用了最不適合的角鋼桁架，不滿足規范對矢跨比規定，不符合概念設計要求，應進行加固。

7 加固方案

鋼桁架加固可采用向上增加桁架，或向下增加桁架做成魚腹式，從而增加桁架高度，提高剛度。但該工程中桁架已經安裝就位，且由于工期限制，不能拆卸再重新加工制作，若采用此方法，高空焊接量太大，節點處鋼材很容易軟化，影響安全。該工程采用新增鋼梁HN800×300，在鋼梁頂部設置5個豎向支撐點，使原鋼桁架和鋼梁協同工作，共同承受屋面及裝修荷載，如圖8所示。

圖8 角鋼拼接形式

經計算，鋼梁應力比最大0.63，撓度1/605，桁架應力比均小于0.85，滿足規范要求，且原鋼柱的配筋可以包絡住此種受力下的配筋結果。但對于鋼梁與柱的連接，需在柱頂1.5m高度范圍內采用t=32鋼板進行抱箍處理，提高節點的抗震性能。從施工的角度，單根鋼梁總重約5.2 t，在工廠預制成兩段，在現場用小型吊車吊裝、拼接即可，施工簡單、速度快，且結構安全、可靠，故采用此方法可行。

8 結語

國內外歷次大地震震害充分說明，抗震概念設計是決定結構抗震性能的重要因素，建筑的結構體型、場地情況及構件受力狀況，對建筑結構的抗震性能有顯著的影響。大跨屋蓋結構的選型和布置首先應保證屋蓋的地震效應能夠有效地通過支座節點傳遞給下部結構或基礎，且傳遞途徑合理。

結構設計師應牢固掌握力學、規范、工程經驗等，嚴謹地進行結構設計，對國家、人民的生命財產安全負責。本文僅以此例提供借鑒。

參 考 文 獻

[1] 霍靜思.某門式剛架輕鋼結構廠房倒塌事故調查與分析[J].自然災害學報,2010,19(5):146-150.

[2] GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[3] GB50009-2012建筑結構荷載規范[S].北京:中國建筑工業出版社, 2012.

[4] 陳紹蕃.桁架受壓腹桿的面外穩定和支撐體系[J].工程力學,1996,13(1):16-24.

[5] JGJ 7-2010 空間網格結構技術規程[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.