某市人民檢察院辦公大樓外立面鋼廊柱檢測鑒定分析

詹學杰 （福建省建筑科學研究院有限責任公司，福建 福州 350000）

0 前言

人民檢察院、法院等司法機關(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程中出現(xiàn)局部晃動的工程實例，通過現(xiàn)場調(diào)查和檢測，分析處理數(shù)據(jù)，進行構(gòu)件鑒定分析，判斷鋼廊柱產(chǎn)生局部晃動的原因，并提出處理建議。通過本次檢測鑒定過程，可為此類鋼廊柱的設計、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）軸設有六根圓柱形廊柱，建筑平面見圖1。經(jīng)查，該樓外立面廊柱在進行干掛石材板幕墻安裝施工至約9m高度位置時，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)場調(diào)查和檢測

2.1 結(jié)構(gòu)布置和連接節(jié)點構(gòu)造

現(xiàn)場檢查結(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。上述廊柱在施工過程中未設置與主體結(jié)構(gòu)相連的側(cè)向支撐。

廊柱現(xiàn)狀標準橫截面結(jié)構(gòu)平面見圖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)場檢查結(jié)果表明，廊柱中核心主鋼柱采用現(xiàn)場焊接方鋼管柱，邊長400mm，壁板厚度為4.75mm，鋼材材質(zhì)為Q345B。主鋼柱采用約1.5m長的L型基本板件單元現(xiàn)場豎向錯開對抱焊接拼接而成。

圖2 廊柱現(xiàn)狀標準橫截面結(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)點大樣見圖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)點現(xiàn)狀見圖5、圖6。

2.2 核心主鋼柱平面位置

現(xiàn)場在廊柱半高處量測外圍鋼龍骨與核心主鋼柱平面相對位置，量測結(jié)果表明（5）-（1/C）軸、（12）-（1/C）軸主鋼柱相對外圍鋼龍骨存在較嚴重偏置，見圖7。

2.3 主鋼柱垂直度

現(xiàn)場采用吊線錘法沿高度分段檢測主鋼柱柱身垂直度，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，見圖8。

圖3 廊柱主鋼柱上節(jié)點連接大樣

圖4 廊柱主鋼柱下節(jié)點連接大樣

圖5 廊柱整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

圖6 主鋼柱上節(jié)點

圖7 主鋼柱偏置

圖8 （11）-（1/C）軸主鋼柱垂直度

3 結(jié)構(gòu)驗算

3.1 計算模型

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，因此對核心主鋼柱進行分析驗算。

廊柱核心主鋼柱上端與主體結(jié)構(gòu)預埋件連接節(jié)點采用長圓孔螺栓連接，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)力與變形計算，上下兩端與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點可簡化為主鋼柱的不動鉸支座，主鋼柱作為獨立的簡支構(gòu)件進行分析計算，承受豎向荷載（廊柱自重）和水平荷載（風荷載），按壓彎構(gòu)件考慮，計算簡圖見圖9。

圖9 主鋼柱計算簡圖

3.2 計算參數(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、抗壓強度設計值，抗剪強度設計值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），線荷載標準值gk=4.8kN/m2；

活荷載（風荷載標準值）：

基本風壓值取w0=0.7kN/m2，

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

線荷載標準值qk=0.6×1.2=0.72kN/m。

3.3 作用效應計算

主鋼柱彎矩、軸力、剪力標準值計算結(jié)果見圖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)可靠性設計統(tǒng)一標準》（GB 50068-2018），承載能力極限狀態(tài)驗算時恒載、活載作用分項系數(shù)分別取γG=1.3、γQ=1.5，控制截面基本組合的效應設計值計算結(jié)果見表1。

控制截面作用組合的效應設計值 表1

3.4 驗算結(jié)果

3.4.1 強度及整體穩(wěn)定驗算

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（GB 50017-2017）第7.1節(jié)、7.2節(jié)、8.1節(jié)及8.2節(jié)進行強度及整體穩(wěn)定驗算，因壁板寬厚比等級不滿足《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（GB 50017-2017）表3.5.1的S3級要求，因此根據(jù)該規(guī)范第8.1.1條，驗算時截面塑性發(fā)展系數(shù)，驗算結(jié)果見表2。

控制截面強度及整體穩(wěn)定驗算結(jié)果 表2

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

3.4.2 局部穩(wěn)定驗算（板件寬厚比驗算）

壁板寬厚比為：

壁板寬厚比超出《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》（GB 50017-2017）第7.3.1條第3款的要求。

3.4.3 長細比驗算

計算長度系數(shù)取1.0，計算長度為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)生局部晃動的原因可從以下幾個方面分析。

①核心主鋼柱壁板寬厚比遠超處規(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)，風荷載作用效應明顯增大且更加復雜，導致施工階段廊柱結(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，且核心主鋼柱相對外圍鋼龍骨存在不同程度偏置，安裝過程會產(chǎn)生荷載偏心，針對上述情況，本工程施工階段未采取臨時支撐等措施，如沿層高設置與主體結(jié)構(gòu)相連的水平拉結(jié)件。

③核心主鋼柱未采取工廠預制現(xiàn)場吊裝方式，而采用1.5m長的L型基本板件單元現(xiàn)場豎向錯開對抱焊接拼接而成，現(xiàn)場施工質(zhì)量難以保證，尤其是柱身垂直度，現(xiàn)場實測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加強角鋼，外圍豎向通長主龍骨立柱上、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考慮風引起的振動，連接節(jié)點處的螺栓宜采用雙螺母加強連接。

③施工階段沿層高設置與主體結(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，設計施工應從承載力與穩(wěn)定性、使用階段與施工階段等方面進行周密考慮。