高層裝配式鋼框架柱垂直度偏差影響分析與處理

任 彧 林禎杉 吳雨君 顏建填

(1.福建建工裝配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001;2.福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，我國民用建筑中，鋼結構得到更加廣泛的應用，但是受到產業發展水平的限制，施工單位技術水平良莠不齊，施工安裝偏差超過規范限值的情況屢有發生。近年來，在鋼框架柱垂直度偏差領域，國內學者開展了系列研究。劉文政等[1]對已建成的多層鋼框架結構柱身垂直度偏差影響分析的結果表明：結構整體性能影響小，部分豎向構件作用效應增加，但仍可達到規范要求。易方民等[2]利用SATWE和ETABS分析了某超高層鋼結構柱垂直度偏差的影響，結果表明，對整體結構與構件承載力的影響均較小。楊德洪等[3]結合某超高層鋼結構，比較了一次性糾偏與漸遞性糾偏兩種方案，最后采用一次性糾偏方案，取得了良好的效果。

本文擬利用有限元方法，對出現框架柱垂直度大偏差的某高層鋼框架結構的各項性能指標進行分析，并提出一種兼具安全性和經濟性的節點加強措施，可靠地實施了主體結構一次性糾偏。

1 工程概況

圖1 整體結構模型

某醫療工程為地下1層，地上9層的鋼框架結構，建筑總高度37.95 m。地下室層高6 m，首層層高5.4 m，二、三層層高均為4.5 m，其他層層高均為3.9 m，如圖1所示。主要設計參數如下：抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.35 s，阻尼比0.04。基本風壓0.35 kN/m2，場地粗糙度類別為B類。

該工程在二層樓承板混凝土澆筑完成后，發現相當比例的鋼柱垂直度偏差顯著超出規范限值。隨后進行的沉降觀測和現場踏勘結果顯示，不存在地基基礎不均勻沉降，主體結構未出現開裂、變形等現象。據此，可以初步判斷，鋼柱傾斜是由于鋼結構施工未遵循現行規范的相關要求。

鑒于問題發現的較為及時，且現場具備進行整改的物資條件，綜合考慮安全、工期和成本等因素，參建各方決定在確保結構安全的前提下，通過糾偏與加固的方式，對鋼框架柱垂直度偏差問題進行處理。

2 柱垂直度偏差情況

設計團隊對現場提供的垂直度偏差實測值，運用數據可視化技術進行了分析，對偏差的空間分布和數值分布進行了研判。根據《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB20205[4]的相關規定，鋼柱垂直度偏差限值為10 mm。二層鋼柱頂部偏差值分布如圖2所示，可以看出：(1)鋼柱偏差值超過規范限值的數量比例，X向為49%，Y向為66%；(2)X向、Y向的超限部分偏差值主要集中30 mm～60 mm區間；(3)Y向整體偏差大于X向，X向柱最大偏差值為75 mm ；Y向柱最大偏差值為90 mm。

(a)X向偏差值 (b)Y向偏差值

(c)總體偏差平面分布

3 鋼柱垂直度偏差影響分析

3.1 對結構整體的影響分析

該項目采用YJK軟件進行結構設計，為復核鋼柱垂直度偏差影響，以節點偏移方式，按偏差實測值輸入計算模型。暫按一次性糾偏方案進行其他樓層的坐標修正。由于本工程鋼結構加工方案中單節框架柱為兩層高，偏移模型中坐標偏移值在二層樓面處最大，在四層樓面及以上位置恢復正常，在一層及三層處按層高進行線性插值。

表1為結構自振周期對比，以及1.0D+1.0L組合下的屈曲模態分析對比。對比結果顯示：部分樓層框架柱傾斜，使得結構的自振周期略有縮短，但最大變化率僅1.3%，結構的整體振動特性未發生明顯改變；屈曲因子減小的最大率為0.5%，整體結構的整體穩定性能未發生明顯變化。

此外，YJK構件驗算結果顯示：斜柱模型的構件應力未出現顯著增加，鋼框柱最大應力比為0.80，鋼框梁最大應力比為0.84，構件承載力均符合規范要求。

表1 YJK結構自振周期、屈曲因子對比

3.2 對構件的影響分析

重力荷載作用下，鋼柱垂直度偏差將使柱在重力荷載下產生附加彎矩ΔM，如圖3所示。以偏差最大的5軸框架為例，使用SAP2000程序進行內力分析(考慮P-Δ二階效應)，四層以下受鋼柱傾斜影響較大區域的框架梁柱的彎矩和應力比改變率如圖4～圖5所示，從圖中可以看出：

(1)柱端彎矩變化率相對較大(最大為160%)，但應力比變化率較小，不超過9%；

(2)梁端彎矩變化率和應力比變化率均在20%以內。

圖3 鋼柱垂直度偏差引起附加彎矩

(a)柱端彎矩變化 (b)梁彎矩變化

(a)柱應力比變化 (b)梁應力比變化

構件應力詳細檢查結果顯示：由于底部樓層鋼柱為小偏壓構件，其應力比主要由軸力控制(約占90%)，垂直度偏差引起的附加彎矩對鋼柱的承載力影響并不顯著。框架梁由于參與了偏心附加彎矩的內力分配，因此，框架梁的應力比略有放大。原始設計中鋼框架柱的應力比<0.75，鋼框梁的應力比<0.8，且鋼框梁應力比變化幅度最大的位置，鋼梁的原始應力相對較小。因此，在考慮偏心附加彎矩的情況下，結構有足夠的安全度。

3.3 對結構抗震延性的影響分析

使用SAP2000軟件，對鋼框架進行靜力彈塑性Pushover分析,如圖6～圖7所示。鋼框架鉸均采用FEMA356的自動鉸，其中鋼柱鉸為P-M2-M3鉸，鋼框梁為M3鉸，鉸屬性指定的相對距離均采用距起始端0.1和0.9。以G=D+0.5L作為非線性Pushover工況的初始條件，采用模態1施加側向荷載，荷載施加控制方式為監測位移控制，頂點位移加載到總高度的0.04倍。罕遇地震的阻尼比取0.05，特征周期取0.40 s。

計算結果顯示：對于考慮垂直度偏差的傾斜模型，塑性鉸先出現在梁上，且在梁鉸充分發展后出現柱鉸。在糾偏處理后，框架結構整體性和屈服機制沒有明顯改變，塑性發展仍符合預期，滿足“強柱弱梁”的結構設計原則。鋼框架能力譜與罕遇地震需求譜相交的性能點為Sa=116 mm，Sd=136g(g=9.8 N/mm2)，對應頂點位移為210 mm，層間位移角H/180，遠小于罕遇地震下層間位移角H/50的限值。

(a)初期 (b)中期 (c)后期

圖7 能力譜與需求譜曲線

4 節點加強措施

YJK與SAP2000的分析結果均表明，采用一次性糾偏方案的結構的受力性能，與原結構在整體性能上基本一致，在構件層次上符合現行規范的相關規定，具有技術可行性。為進一步提高節點的整體性，保證偏心附加彎矩作用下的有效傳力，對垂直度偏差超出規范限值的樓層框架節點均按圖8進行加強。該補強構造可明顯提高節點和梁端抗彎承載力，對建筑功能影響小，實施方便、具有較好的工藝性。

圖8 梁端加固大樣

本文利用鋼結構節點有限元分析軟件IDEA對加強節點進行了分析。IDEA可以進行節點強度分析、節點剛度分析、構件能力設計、節點設計抗力、穩定分析等，目前已經在國際上廣泛應用于復雜節點的結構設計與研究。

梁柱節點分析以鋼柱為支承構件，鋼梁牛腿為加載構件，在梁端施加荷載。材料參數如下：鋼材強度等級Q345B，焊條材料E50。通過M-φ曲線計算相鄰構件在節點處的連接剛度，進而判斷該節點是鉸接、半剛接或剛接。通過迭代加載的方式，分析節點的最大承載能力。

應用IDEA軟件，對加強前后的節點進行建模分析，如圖9所示。結果顯示：加固后梁端極限抗彎承載力提高約15%，且梁柱節點核心區未進入屈服狀態。由M-φ相關曲線(圖10)可發現，節點加固前后均達到剛接條件，加固后的節點剛度明顯提高，梁端的節點剛域擴大，整體性和可靠性均顯著提高。

(a)梁端加固前 (b)梁端加固后

圖10 梁端M-φ相關曲線

5 糾偏技術措施

為確保糾偏工作的順利實施，設計施工團隊制定了詳細的糾偏專項施工方案。主要步驟包括：(1)復測鋼柱偏位值，獲得準確的實際偏差；(2)根據實際情況建立糾偏深化模型，并調整構件加工；(3)鋼框架安裝時，以中間位置為初始核心框架，準確安裝固定后，再向外延伸；(4)觀測鋼柱偏位無誤后，進行梁柱節點焊接；(5)焊接完成后再次復測偏位，并按一級焊縫進行100%探傷；(6)鋼框架全部安裝完成后，再進行次梁、樓承板施工。

其中，核心框架安裝次序如圖11所示。先后固定4個鋼柱及相應鋼框梁，通過調節工裝，調整鋼柱垂直度，如圖12所示。利用平面拉桿、柱支撐進一步固定后，再向外延伸安裝。為減少誤差累計影響，共設置3組核心框架，進行分區域安裝。

施工團隊嚴格按照糾偏方案，在四層樓面位置完成一次性糾偏。復測結果顯示，所有鋼柱最終偏位均小于10 mm，糾偏效果良好。此外，檢測單位提供的焊縫外觀及探傷結果顯示，焊縫也均符合規范要求。目前本項目主體結構已通過驗收，后續觀測結果均未出現異常。

圖11 核心鋼框架安裝示意 圖12 鋼柱側向支撐示意

6 結語

本文對存在框架柱垂直度大偏差的某高層鋼框架結構進行了多維度的分析，結果表明：

(1)當局部樓層框架柱整體發生傾斜時，如其上部樓層的框架柱定位已恢復至規范偏差后，主體結構的整體振動特性和整體穩定性變化很小；

(2)整體傾斜樓層的框架梁柱應力比略有上升，需要謹慎地進行復驗；

(3)在確保構件性能的前提下，局部傾斜框架在罕遇地震下的性能指標影響不大；

(4)建議對整體傾斜樓層的梁柱節點進行補強，增強整體性。