鋼結構受彎構件設計與施工技術研究
——以福州某醫院項目為例

林祥武

(福州建工集團有限公司，福建 福州 350004)

0 引言

鋼結構建筑輕質高強、抗震性能優越、裝配效率高，已在各類高層建筑中得到廣泛應用[1]。為便于通風及電線和給排水管道等從梁柱構件中自由通過，通常采取鋼梁腹板開孔的措施[2]，如圖1所示。但開孔后的鋼梁腹板截面削弱，易在開孔部位附近產生應力集中，導致屈曲破壞或剪切破壞，最終引發構件連續性破壞。

圖1 工程項目中鋼梁腹板的開孔

國內外學者通過大量的試驗研究和有限元建模分析，研究各類腹板開孔鋼梁的力學性能和破壞模式。王春剛等[3]通過試驗研究和有限元分析，研究了腹板開孔槽鋼梁局部屈曲問題，發現開孔對構件的受力性能有明顯的削弱作用，承載力下降幅值較大，破壞位置大多發生在開孔截面處。朱群紅等[4]對腹板開孔的簡支鋼梁進行彈性分析，發現開孔對腹板的局部屈曲有較大影響，應限制開孔部分的寬厚比。趙金友等[5]通過靜力試驗研究，發現開孔腹板鋼梁的承載力隨著孔高比的增大而減小，并討論了腹板高度、板厚和孔高比對構件承載力的影響。江緯等[6]研究發現，腹板開孔壓型鋼板組合梁的極限承載力隨著栓釘連接件數量的增多而提高。雖然各學者對開孔鋼梁的受力性能和破壞模式進行了一系列研究，但尚未結合工程項目，針對半剛性節點處的鋼梁，進行鋼梁腹板開孔后的受力性能研究，缺少相關的工程建議和案例分析。

本文以福州某醫院項目為例，采用ABAQUS有限元分析軟件，考慮開孔熱切割的殘余應變，建立半剛性節點處的腹板開孔鋼梁有限元模型，分析腹板開孔對鋼梁等受彎構件承載性能的影響，明確鋼梁腹板開孔前后的內力分布及其變化，并最終給出開孔時的施工建議和補強措施。

1 工程背景

福州某醫院項目位于長樂市首占新城區，工程總建筑面積122154m2(±00以上建筑面積101854m2)，由一棟24層住院樓、一棟5層門診醫技綜合樓及1層連廊、一棟5層傳染病樓、一棟9層后勤保障樓、一棟2層柴油發電機及變電所、一棟1層高壓氧艙、一棟1層污水處理和垃圾站、一棟1層門衛以及住院樓、門診醫技綜合樓和連廊部分地下一層組成。其中住院樓建筑高度99.3m、門診樓25.2m、后勤保障樓33.7m、傳染病樓23.3m，門診醫技樓單體結構體系為裝配式鋼-混凝土組合結構，如圖2所示。由于醫院項目涉及較多的管道通風、線路連接、給排水等工程，需要對鋼梁腹板進行開孔熱切割處理，因此，需要著重分析開孔對鋼梁受力性能的影響，給出可靠的工程建議和施工方案。

2 有限元數值分析

2.1 開孔腹板鋼梁

對于醫院等公共場所，房屋空間需求更大，采用腹板開孔鋼梁，可以有效減少管道對建筑物空間的占用。本項目半剛性端板型節點的腹板開孔工字梁如圖3所示，具體的截面尺寸與截面特性如表1所示。鋼材采用Q355普通碳素鋼，樓板厚度為120mm。

圖2 醫院效果圖

圖3 框架梁及洞口布置

表1 HM工字鋼截面特性

2.2 開孔腹板鋼梁的數值模型

考慮到對稱性，建模取鋼梁左側部分，采用ABAQUS有限元進行精細化三維建模。鋼材采用雙折線模型，屈服應力為418MPa，屈服應變為100000微應變。有限元模型及單元劃分整體如圖4所示。

(a)屈服模型(b)網格劃分圖4 開洞鋼梁單元劃分

為保證結果的準確性，同時減少運算，次要部分采用C3D8I單元，主要部分采用C3D20H單元。也就是說，次要部分采用一次線性運算，洞口部分采用修正的二次插值運算。為保證銜接處計算穩定，提高精確度，采用四邊形-三角形雜化的方式進行劃分，見圖5。

(a)腹板開洞部分(b)端板部分

2.3 開孔腹板鋼梁的數值分析結果

根據有限元分析結果，當荷載達到極限承載力時，開孔部位出現應力集中，鋼材屈服首先出現在開孔部位的四個角點位置(深藍色為未屈服)，并產生較大變形，最終導致剪切破壞，如圖6(a)所示。在受力機理上，鋼梁腹板開洞會導致洞口兩端產生空腹力矩，容易在洞口拐角處形成塑性鉸，最終造成鋼梁腹板剪切破壞。由于該開孔截面對承載力影響較大，不能滿足項目中的鋼梁承載力所需，因此需要進一步優化，即采用多個較小面積的洞口。有限元分析結果如圖6(b)所示，優化后的鋼梁承載力較高，應力分布均勻，開孔部位未見鋼板屈服和較大的變形，構件未出現驗證的破壞特性。給出的工程建議是：當開洞面積相同，荷載、跨度等外界條件相同的時候，選用均勻布置的小面積腹板開孔措施，能保證鋼梁足夠的承載力。對于剪力較大的開孔位置，應在開孔部位設置加勁肋，以提高鋼梁強度和局部穩定性。

(a)優化前 (b)優化后圖6 鋼梁受力屈服變形圖

3 施工關鍵技術

3.1 鋼柱施工技術

鋼結構柱首先進行安裝作業，鋼柱的施工質量決定了后續施工的定位精確度，并且可以防止因鋼梁施工偏差引起的安裝次生應力。具體安裝技術要求如下：①綁扎。本工程結構柱截面較大，考慮到斜吊引起的抗彎剛度大等問題，采用三點綁扎的直吊綁扎法。②吊裝。開始，邊柱上端受起重臂回轉升鉤的作用影響緩慢地回轉升高，確定無誤方可插入獨立基礎中。按照滑行法安裝時，起重臂固定，啟重鉤啟動，緩慢吊起。鋼柱上端升高，鋼柱下端緩慢靠近基礎面，當鋼柱懸掛于空，等其擺動幅度較小且穩定后緩慢放入基礎。③臨時固定與對位。對位和臨時固定時，以基礎頂面安裝中心線為基準，確保起吊鋼柱的中心線能夠與之相匹配，輔助對孔可以依靠地腳螺栓，鋼柱垂直度必須確保滿足要求，達到基本要求后才能就位。④調正。鋼柱穩定后，可用兩臺經緯儀交叉調正，矯正的基本要求是平面定位準確、標高及垂直度滿足要求。⑤鋼柱固定。調正動作結束后方可進行鋼柱穩固工作，將細石混凝土充盈于鋼柱下端部與基礎預留槽，保證鋼柱穩定。

3.2 鋼梁施工技術

受彎構件現場施工作業，有以下關鍵技術和具體要求。首先，地面拼裝之前，要確保鋼梁高強度螺栓連接摩擦面干凈無銹，且無雜質,表面平滑、無水漬。當鋼梁形變滿足以上要求時,才允許地面拼裝作業。拼裝時用無油枕木作為鋼梁支座，確保鋼梁的穩定性,且在鋼梁兩側用木條作為支撐[7]。單跨梁作為屋面梁拼裝單元,應檢查拼裝梁的直線度。調整檢驗滿足設計要求后,高強度螺栓方可擰緊。其次，鋼梁最后完成之時,應保證所組裝的鋼梁編號無誤、水平與垂直方向符合要求、孔位沒有差錯等,滿足現場規定，且鋼梁外表的污物、銹跡處理干凈后,才能試裝配鋼梁。試裝配動作完成且達到施工技術要求后,對照施工圖，對比無誤后即用螺栓或焊縫將其固定完成。

3.3 鋼梁腹板開孔補強施工技術

腹板開孔補強措施見圖7，開孔位置設置在沿梁長方向彎矩較小處。補強板厚度不小于20mm時，宜采用部分熔透焊縫，并按需設置上下部豎向加勁肋；梁柱節點采用臨時連接板，不僅起到安裝定位固定作用，當鋼梁腹板焊接時，還能起到焊接襯墊板作用。

圖7 鋼梁腹板開孔補強措施

鋼梁現場作業要滿足以下要求：首先，將鋼梁緩慢調運到鋼柱連接點附近，并保證鋼梁擺動幅度不要過高，當梁柱連接板對位完成時，要用沖釘過孔形成對中，并將第二個連接板安放到相應固定點穿入沖釘中，把梁左右端頭打緊調正，節點兩邊各穿入30%的螺栓長度暫時的擰緊。其次，臨時螺栓、沖釘等安放量應超過總量的1/3，并保證每個節點都達到要求，臨時螺栓應超過2副及以上，沖釘占臨時螺栓的30%以內。梁左右兩端的焊接坡口空間尺寸應調節到位，水平尺調整鋼梁與牛腿上翼緣的水平度，確保符合規范要求，并緊固臨時螺栓。然后，鋼梁安裝按照先主梁后次梁，再次梁的原則。為了加快吊裝速度，次梁可以采用串吊方法。安裝時應按照先安置鋼柱再放置鋼梁的原則，每一步都做好校對調正工作。以上步驟完成后，方可對螺栓進行緊固，保證連接板高貼合度，防止更換高強度螺栓的步驟不能滿足要求。最后，混凝土梁與鋼柱采用牛腿形式連接,混凝土梁的鋼筋焊接在鋼柱牛腿上；剪力墻與鋼柱采用連接板形式連接,剪力墻的鋼筋焊接在鋼柱連接板上。混凝土柱縱筋被鋼牛腿截斷處，采用連接板連接，柱縱筋焊接在鋼柱牛腿下伸的連接板上。

4 結論

采用ABAQUS數值分析等手段，對福州某醫院項目鋼結構受彎構件腹板開洞等問題進行研究，提出設計、施工建議和措施。有限元分析發現，鋼梁腹板開洞會導致洞口兩端產生空腹力矩，容易在洞口拐角處形成塑性鉸，最終造成鋼梁腹板剪切破壞。對此，提出了選用小截面開口尺寸，并均勻布置，避免過大的截面削弱和應力集中等建議及措施。對于剪力較大的開孔位置，應在開孔部位設置加勁肋，以提高鋼梁強度和局部穩定性。