某市人民檢察院辦公大樓外立面鋼廊柱檢測(cè)鑒定分析

詹學(xué)杰 （福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福建 福州 350000）

0 前言

人民檢察院、法院等司法機(jī)關(guān)辦公大樓主入口外立面的通高廊柱一般采用內(nèi)部鋼構(gòu)架、外干掛石材幕墻的結(jié)構(gòu)形式。本文以在建某市人民檢察院主入口外立面鋼廊柱施工過(guò)程中出現(xiàn)局部晃動(dòng)的工程實(shí)例，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)，分析處理數(shù)據(jù)，進(jìn)行構(gòu)件鑒定分析，判斷鋼廊柱產(chǎn)生局部晃動(dòng)的原因，并提出處理建議。通過(guò)本次檢測(cè)鑒定過(guò)程，可為此類鋼廊柱的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 工程概況

該檢察院辦公大樓現(xiàn)為6層框架結(jié)構(gòu)，房屋總高度約為23.25m，建筑面積約為7079m2。該樓主立面在（4）-（1/C）軸 、（5）-（1/C）軸 、（6）-（1/C）軸 、（10）-（1/C）軸、（11）-（1/C）軸及（12）-（1/C）軸設(shè)有六根圓柱形廊柱，建筑平面見(jiàn)圖1。經(jīng)查，該樓外立面廊柱在進(jìn)行干掛石材板幕墻安裝施工至約9m高度位置時(shí)，廊柱中已經(jīng)施工完成的內(nèi)部鋼構(gòu)架出現(xiàn)局部晃動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 一層局部建筑及所檢廊柱平面示意圖

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)

2.1 結(jié)構(gòu)布置和連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果表明，該大樓在（4）-（1/C）軸、（5）-（1/C）軸、（6）-（1/C）軸、（10）-（1/C）軸、（11）-（1/C）軸及（12）-（1/C）軸設(shè)置上下貫通一層至五層的通高廊柱，廊柱總高度約為19.50m，外徑為1.2m～1.0m（底部～頂部），廊柱上端、下端與房屋主體結(jié)構(gòu)連接。上述廊柱在施工過(guò)程中未設(shè)置與主體結(jié)構(gòu)相連的側(cè)向支撐。

廊柱現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)橫截面結(jié)構(gòu)平面見(jiàn)圖2，除廊柱的主鋼柱上、下端與房屋主體結(jié)構(gòu)連接外，廊柱其余幕墻鋼龍骨（立柱、橫梁等）均未與房屋主體結(jié)構(gòu)連接。

現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果表明，廊柱中核心主鋼柱采用現(xiàn)場(chǎng)焊接方鋼管柱，邊長(zhǎng)400mm，壁板厚度為4.75mm，鋼材材質(zhì)為Q345B。主鋼柱采用約1.5m長(zhǎng)的L型基本板件單元現(xiàn)場(chǎng)豎向錯(cuò)開(kāi)對(duì)抱焊接拼接而成。

圖2 廊柱現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)橫截面結(jié)構(gòu)平面示意

廊柱主鋼柱與房屋主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀連接節(jié)點(diǎn)大樣見(jiàn)圖3和圖4。廊柱中鋼龍骨與主鋼柱之間及鋼龍骨與鋼龍骨之間均采用焊接連接。鋼廊柱結(jié)構(gòu)及節(jié)點(diǎn)現(xiàn)狀見(jiàn)圖5、圖6。

2.2 核心主鋼柱平面位置

現(xiàn)場(chǎng)在廊柱半高處量測(cè)外圍鋼龍骨與核心主鋼柱平面相對(duì)位置，量測(cè)結(jié)果表明（5）-（1/C）軸、（12）-（1/C）軸主鋼柱相對(duì)外圍鋼龍骨存在較嚴(yán)重偏置，見(jiàn)圖7。

2.3 主鋼柱垂直度

現(xiàn)場(chǎng)采用吊線錘法沿高度分段檢測(cè)主鋼柱柱身垂直度，結(jié)果表明（5）-（1/C）軸、（11）-（1/C）軸及（12）-（1/C）軸主鋼柱垂直度檢測(cè)結(jié)果較差，其中（11）-（1/C）軸主鋼柱局部最大軸線垂直度偏差為H/257，見(jiàn)圖8。

圖3 廊柱主鋼柱上節(jié)點(diǎn)連接大樣

圖4 廊柱主鋼柱下節(jié)點(diǎn)連接大樣

圖5 廊柱整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

圖6 主鋼柱上節(jié)點(diǎn)

圖7 主鋼柱偏置

圖8 （11）-（1/C）軸主鋼柱垂直度

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

3.1 計(jì)算模型

本工程廊柱中僅核心主鋼柱上、下端與房屋主體結(jié)構(gòu)連接，其余鋼龍骨構(gòu)件（立柱、橫梁等）均未與房屋主體結(jié)構(gòu)連接，鋼龍骨完全支承于主鋼柱上，即廊柱石材板幕墻荷載、鋼龍骨荷載全部作用于主鋼柱上，因此對(duì)核心主鋼柱進(jìn)行分析驗(yàn)算。

廊柱核心主鋼柱上端與主體結(jié)構(gòu)預(yù)埋件連接節(jié)點(diǎn)采用長(zhǎng)圓孔螺栓連接，可不考慮主鋼柱上端與主體結(jié)構(gòu)的豎向內(nèi)力與變形傳遞，廊柱僅作為一般荷載施加于下端支承處的主體結(jié)構(gòu)上，因此本工程廊柱可不作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件參與主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形計(jì)算，上下兩端與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)可簡(jiǎn)化為主鋼柱的不動(dòng)鉸支座，主鋼柱作為獨(dú)立的簡(jiǎn)支構(gòu)件進(jìn)行分析計(jì)算，承受豎向荷載（廊柱自重）和水平荷載（風(fēng)荷載），按壓彎構(gòu)件考慮，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖9。

圖9 主鋼柱計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.2 計(jì)算參數(shù)

3.2.1 截面特性

截面規(guī)格400mm×400mm×4.75mm（Q345B）焊接方鋼管，b類截面；

面積A=7510mm2；

慣性矩Ix=Iy=19556×104mm4；

截面回轉(zhuǎn)半徑ix=iy=161.4mm；

截面模量Wx=Wy=977.8×103mm3；

3.2.2 材料特性

抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=305N/mm2，

彈性模量E=206×103N/mm2。

3.2.3 荷載

恒荷載。廊柱自重（含核心主鋼柱、鋼龍骨、石材板幕墻）9.44t（94.4kN），線荷載標(biāo)準(zhǔn)值gk=4.8kN/m2；

活荷載（風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值）：

基本風(fēng)壓值取w0=0.7kN/m2，

地面粗糙度類別B類，迎風(fēng)寬度1.2m，高度19.5m，風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.23，風(fēng)載體型系數(shù)μs=0.55，風(fēng)振系數(shù) βz=1.28，wk=βzμsμzw0=1.28×0.55×1.230.7=0.6kN/m2。

線荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk=0.6×1.2=0.72kN/m。

3.3 作用效應(yīng)計(jì)算

主鋼柱彎矩、軸力、剪力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 主鋼柱內(nèi)力圖

控制截面取高度中部截面及底部截面，根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068-2018），承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算時(shí)恒載、活載作用分項(xiàng)系數(shù)分別取γG=1.3、γQ=1.5，控制截面基本組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

控制截面作用組合的效應(yīng)設(shè)計(jì)值 表1

3.4 驗(yàn)算結(jié)果

3.4.1 強(qiáng)度及整體穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）第7.1節(jié)、7.2節(jié)、8.1節(jié)及8.2節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度及整體穩(wěn)定驗(yàn)算，因壁板寬厚比等級(jí)不滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）表3.5.1的S3級(jí)要求，因此根據(jù)該規(guī)范第8.1.1條，驗(yàn)算時(shí)截面塑性發(fā)展系數(shù)，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

控制截面強(qiáng)度及整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果 表2

由表2驗(yàn)算結(jié)果可知，核心主鋼柱控制截面的強(qiáng)度及整體穩(wěn)定驗(yàn)算滿足要求。

3.4.2 局部穩(wěn)定驗(yàn)算（板件寬厚比驗(yàn)算）

壁板寬厚比為：

壁板寬厚比超出《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）第7.3.1條第3款的要求。

3.4.3 長(zhǎng)細(xì)比驗(yàn)算

計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取1.0，計(jì)算長(zhǎng)度為l0=19.5m，截面回轉(zhuǎn)半徑ix=iy=161.4mm。

4 結(jié)構(gòu)分析與鑒定

綜合以上分析結(jié)果，該工程鋼廊柱產(chǎn)生局部晃動(dòng)的原因可從以下幾個(gè)方面分析。

①核心主鋼柱壁板寬厚比遠(yuǎn)超處規(guī)范限值，不滿足要求。

②石材板幕墻安裝完畢前，廊柱未能形成圓柱形封閉結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載作用效應(yīng)明顯增大且更加復(fù)雜，導(dǎo)致施工階段廊柱結(jié)構(gòu)受力狀況與安裝完成后封閉圓柱體的受力狀況存在較大差異，且核心主鋼柱相對(duì)外圍鋼龍骨存在不同程度偏置，安裝過(guò)程會(huì)產(chǎn)生荷載偏心，針對(duì)上述情況，本工程施工階段未采取臨時(shí)支撐等措施，如沿層高設(shè)置與主體結(jié)構(gòu)相連的水平拉結(jié)件。

③核心主鋼柱未采取工廠預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)吊裝方式，而采用1.5m長(zhǎng)的L型基本板件單元現(xiàn)場(chǎng)豎向錯(cuò)開(kāi)對(duì)抱焊接拼接而成，現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量難以保證，尤其是柱身垂直度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)也表明部分主鋼柱垂直度較差。

④廊柱中僅核心主鋼柱上端、下端與房屋主體結(jié)構(gòu)連接，外圍豎向通長(zhǎng)主龍骨立柱未與主體結(jié)構(gòu)連接，廊柱整體剛度較弱。

5 建議

根據(jù)本工程具體情況，提出如下處理建議。

①核心主鋼柱四角增設(shè)加強(qiáng)角鋼，外圍豎向通長(zhǎng)主龍骨立柱上、下端與主體結(jié)構(gòu)連接，使主鋼柱與外圍豎向主龍骨組成類格構(gòu)柱，提高整體剛度。

②考慮風(fēng)引起的振動(dòng)，連接節(jié)點(diǎn)處的螺栓宜采用雙螺母加強(qiáng)連接。

③施工階段沿層高設(shè)置與主體結(jié)構(gòu)相連的水平拉結(jié)件，以保證施工階段的整體穩(wěn)定性。

此類廊柱雖不是主體承重構(gòu)件，但因其屬高柔構(gòu)件，位于建筑主立面，有其特殊性，設(shè)計(jì)施工應(yīng)從承載力與穩(wěn)定性、使用階段與施工階段等方面進(jìn)行周密考慮。