非正常使用下某受損輕鋼廠房承載力有限元分析★

楊 雪，樊麗軒，王金龍，劉佳敏，鄧 婕

（1.中國電建集團核電工程有限公司，山東 濟南 251200； 2.太原理工大學土木工程學院，山西 太原 030024）

門式剛架輕型房屋鋼結構因其施工速度快、柱網布置靈活、結構空間大等優點而廣泛應用于單層工業廠房中。但是在使用過程中，各種非正常使用易導致結構不滿足后續安全使用要求，甚至導致各種事故的發生，因此針對存在此類問題的門式剛架輕型房屋鋼結構進行安全性檢測鑒定是非常有必要的。考慮到其實際應用，門式剛架輕型鋼結構的非正常使用包括結構超載、車輛或機械撞擊、爆炸等人為因素，火災、雪災、地震等自然災害，以及生產工藝改進帶來的結構使用功能改變和結構布置變化等情況［1-3］。楊春強［4］和陳懷亮［5］將輕型門式剛架結構在使用過程中的事故原因總結為使用環境和荷載的變化以及使用中缺乏定期維護等。周勇［6］和賈傳果［7］認為改變結構使用功能前，應根據檢測鑒定結果對不滿足要求的結構或構件進行加固。王國渝等［8］指出鋼柱的不均勻沉降對輕鋼結構的內力有一定影響，當柱沉降接近規范限值時，宜考慮附加內力的影響。董羽［9］認為在門式剛架單跨結構中，地基沉降會導致柱頂側移以及梁端與柱頂應力增加；而在雙跨結構中，沉降對柱腳剛接有影響，但對梁跨中撓度影響較小。

FERRER等［10］指出車輛的速度和質量等因素對實腹式鋼柱受撞擊時的能量交換有顯著影響。王蕊等［11］和ZHAO等［12］根據試驗和數值模擬結果指出，承受沖擊荷載的H型鋼試件在壓應力下主要表現為整體變形和局部屈曲，且局部屈曲部位是薄弱部位，試件表現為整體失穩破壞。路國運等［13］指出，H型鋼柱極易在沖擊部位發生塑性變形，局部變形主要表現為翼緣下凹以及腹板面外變形。上述研究表明沖擊荷載作用對實腹式柱的承載力有較大影響，但以上研究僅以H型鋼試件為研究對象，且試驗中構件兩端約束條件均較為理想，與實際情況下H型鋼柱的受力情況存在一定誤差。而目前針對實際結構中足尺H型鋼柱在非正常使用下的承載力研究較為有限。本文選取某輕鋼結構儲煤廠房為典型案例，該廠房在建成后使用功能發生較大改變，廠房內材料堆載較大；且部分鋼柱在大型車輛撞擊作用下產生變形和傾斜。為確保該建筑仍可安全使用，對該廠房進行了現場調研、有限元模擬及理論分析，并針對該廠房的結構/構件存在的問題提出了相應的加固措施。

1 工程概況

某廠房結構形式為單層雙跨雙坡門式剛架結構，由13榀門式剛架組成。圍護結構由磚砌體墻及單層壓型鋼板組成，屋面為單層壓型鋼板（如圖1所示）。基礎為柱下獨立基礎。該結構東西長度102.0 m，柱距6.0 m，南北長度60.0 m，單跨30.0 m。該地區抗震設防烈度為6度（0.05g），設計地震分組第三組。該結構鋼柱及鋼梁均采用H型鋼，鋼材牌號均為Q345B。

圖1 某輕鋼結構儲煤廠房西南軸測圖

2 現場檢查與檢測情況

2.1 結構體系與外觀普查

現場調研發現，實際結構體系基本符合原設計。廠房實際使用功能布局為：西側區域及北側區域為煤、黃土等原料堆放場所，東南區域成品煤儲存場所，如圖2所示。

圖2 某輕鋼結構儲煤廠房內部實際情況

現場對結構外觀的普查發現，由于廠房內材料堆放不規范，其圍護砌體墻受到廠房內堆土擠壓出現不同程度的裂縫和變形。其中，西側山墻局部磚砌體墻出現平面外變形，變形區域范圍約1 650 mm×350 mm，墻體平面外錯動最大30 mm，裂縫寬度約15 mm；北側磚砌體墻出現通長裂縫，裂縫長約12 000 mm，寬度約20 mm，平面外錯動最大38 mm。

2.2 構件、節點變形檢查

結構的部分構件發生損傷變形和銹蝕，節點連接處的高強度螺栓有較嚴重的銹蝕現象、構造措施不符合規范等問題，如圖3所示。

1）鋼柱變形情況檢查。廠房內常有大型裝載機等車輛進入工作，部分鋼柱可能受其撞擊發生變形。其中，2-F軸中柱受撞擊翼緣出現明顯凹陷變形，變形部位距地面約0.93 m，變形范圍高約600 mm，翼緣變形最大處向內凹陷約56 mm。且該結構個別鋼柱存在柱腳墊板缺失、錨栓螺母缺失和錨栓銹蝕等問題，如圖3（a），圖3（b）所示。2）梁梁節點、梁柱節點連接檢查。該結構部分梁梁、梁柱節點存在螺栓松動、螺栓銹蝕嚴重和節點板連接不緊密等問題。部分拼接節點螺栓預緊力未達到規范相關要求，且選用螺栓的規格與原設計圖紙存在差異；個別梁梁節點和梁柱節點拼接處節點板存在錯位或變形情況，如圖3（c）所示。

圖3 結構構件及節點變形及構造問題

2.3 構件截面尺寸及鋼材強度復核

現場抽取13榀鋼桁架中的44根H型鋼梁和18根H型鋼柱，采用JITAI-510型超聲測厚儀、游標卡尺等設備對構件的截面尺寸進行復核，檢測結果顯示，所抽檢鋼梁和鋼柱的截面尺寸均符合原設計要求。另外，采用YLK-110型里氏硬度計對構件的材料強度進行復核，結果表明，所抽檢鋼材強度達到Q345B鋼的設計要求。

2.4 結構及構件變形觀測

1）地基基礎相對沉降變形現狀觀測。現場采用全站儀分別對南、北兩側鋼柱的相對沉降變形進行觀測。本次沉降觀測為單次觀測，不能反映地基基礎的連續變形情況。且由于現場觀測條件限制，測量時劃分了不同測區，故沉降觀測只通過其規律性來判斷地基基礎變形的現狀。根據觀測結果，該廠房南側（A軸）和北側（L軸）鋼柱均呈現出明顯的由東向西沉降逐漸增大的規律性，如圖4，圖5所示。根據現場普查結果分析，認為廠房內部材料堆放不合理導致結構西側地基產生不均勻沉降，可能是使得西側邊柱沉降較嚴重的主要原因之一。

圖4 結構A軸鋼柱相對沉降量

圖5 結構L軸鋼柱相對沉降量

2）廠房中柱垂直度。通過采用全站儀對該結構F軸中柱垂直度進行檢測，結果表明，該結構部分中柱存在一定程度的傾斜，柱平面內頂點水平位移為40 mm～77 mm之間，其中3-F柱傾斜嚴重，頂點平面內最大位移為77 mm，超過GB 50144—2019工業建筑可靠性鑒定標準［14］表7.3.9規定的H/400的限值要求。本次抽檢的中列鋼柱中有75%不滿足該要求。結合現場調查情況，認為其原因是結構的中柱列缺少柱間支撐及結構地基基礎存在不均勻沉降。

3 結構驗算結果

3.1 結構整體承載力計算分析

根據原設計圖紙及現場檢測結果，采用PKPM對該建筑結構進行建模并計算其整體承載力。建模時假定構件和節點均為理想狀態，基本荷載的取值依據結構設計總說明和GB 50009—2012建筑結構荷載規范［15］，作用分項系數依據GB 50068—2018建筑結構可靠性設計統一標準［16］取γG=1.3，γQ=1.5。計算結果表明，在理想條件下，該門式剛架結構的部分梁和中柱不滿足平面外穩定的要求。

3.2 受損構件剩余承載力分析

考慮到PKPM無法實現結構在包含受損構件的實際情況下的承載力分析，故采用ABAQUS有限元軟件對受損鋼柱展開進一步研究。考慮到受損H型鋼柱實際情況較復雜，為簡化建模及計算過程，對模型做出以下假設：1）僅考慮沖擊荷載對鋼柱造成的幾何尺寸影響，忽略沖擊荷載對鋼材性能的損傷，忽略材料可能已進入塑性狀態的情形，忽略翼緣與腹板處的殘余應力；2）經現場檢查，2-F軸受損柱節點連接良好，故假設螺栓連接良好，端板無變形，且將梁柱連接與端板連接均簡化為Tie連接。損傷中柱簡化示意圖如圖6所示。

圖6 受損中柱簡化示意圖

分別建立理想狀態和實際損傷狀態下的H型鋼柱單構件及平面剛架結構有限元模型。

1）單鋼柱承載力分析。H型鋼柱承載力分析采用殼單元建模，網格采用四節點四邊形有限薄膜應變線性減縮積分殼單元（S4R）；網格尺寸全局采用50 mm，損傷部位網格局部細化處理。模型邊界條件及網格劃分如圖7所示。根據現場檢測結果，鋼材選用Q345B，抗壓強度設計值f=305 MPa，抗拉強度fu=470 MPa，屈服強度fy=470 MPa，彈性模量E=2.1×106MPa，泊松比μ=0.3。分別基于兩種破壞準則對單根鋼柱承載力進行分析：抗壓強度破壞準則認為柱最大應力達到鋼材抗壓強度設計值即破壞，極限承載力破壞準則認為柱發生受壓破壞時為極限狀態。圖8為抗壓強度破壞準則下理想柱與受損柱的Mises應力云圖，由圖8可知，理想柱最大應位于柱腳處，受損柱最大應力位于受損區域翼緣與腹板拼接處。圖9為抗壓強度破壞準則下時理想柱與受損柱的承載力-位移曲線，結果顯示受損柱極限承載力與位移分別為了降低26.6%與25.2%，且受損柱初始受壓剛度降低1.94%。圖10為極限承載力破壞準則下理想柱與受損柱極限變形情況（變形放大100倍）。結果表明，理想柱柱腳發生屈曲導致柱發生破壞；受損柱柱腳屈曲前，受損區域翼緣先發生屈曲，導致柱破壞。圖11為極限狀態下鋼柱的受力分布情況，可以看到，理想柱基本為軸心受壓破壞；而受損柱同時受彎、剪、壓三種力作用，破壞模式較復雜，且軸力于受損區域發生偏心作用，為受損區壓彎破壞。

圖7 單鋼柱構件模型邊界條件及網格劃分示意圖

圖8 抗壓強度破壞準則下鋼柱柱腳應力云圖

圖9 抗壓強度破壞準則下鋼柱承載力曲線

圖10 極限承載力破壞準則下鋼柱變形圖

圖11 極限承載力破壞準則下鋼柱受力分布圖

表1為抗壓強度破壞準則和極限承載力破壞準則下理想柱與受損柱極限承載力和失效位移對比，在僅考慮構件變形而未考慮構件屈曲和材料強度降低情況下，受損鋼柱承載力仍有明顯降低。

表1 兩種破壞準則下受損柱與理想柱承載力參數對比

2）平面剛架結構承載力分析。平面剛架結構采用實體單元建模，網格采用八節點六面體線性減縮積分（C3D8R）；網格單元尺寸柱構件取75 mm，梁構件取100 mm。平面剛架模型如圖12，圖13所示。依據圖紙設計說明，恒載為0.30 kN/m2，活載為0.35 kN/m2，分項系數為γG=1.3，γQ=1.5；基本風壓為0.5 kN/m2，不考慮地震荷載作用。分析該平面剛架在豎向荷載及在豎向荷載+水平風荷載作用下的受力情況。

圖12 平面剛架模型邊界條件示意圖

圖13 平面剛架模型加載示意圖

分析結果表明，在豎向荷載與水平風荷載共同作用下，考慮到中柱受損位置，受損中柱對右風的敏感性更強。右風荷載作用下，受損中柱最大應力位于受損翼緣與腹板交接處，其最大應力值為左風荷載下的1.34倍。

不同風荷載作用下受損中柱受力分布如圖14所示。風荷載對受損柱的軸力影響不大；但是對受損柱彎矩影響較大，無風荷載時鋼柱反彎點位于受損區域，風荷載作用下反彎點向鋼柱上部移動，且風向變化使得彎矩方向發生變化；同時風荷載對剪力值影響也有一定影響。

圖14 風荷載對受損中柱受力情況的影響

不同風荷載作用下受損中柱與理想中柱的受力情況對比如圖15所示。受損中柱與理想中柱的受力情況存在一定差異。分析結果表明，左風荷載下，受損柱受損區域彎矩值較理想柱增加17.97%，剪力值增加4.10%；右風荷載作用下，受損中柱底部最大應力值是理想中柱的1.52倍。由于建模假設中未考慮構件進入塑性、未考慮沖擊荷載對鋼材性能的損傷以及節點連接假設等原因，分析結果與實際值存在一定誤差。

圖15 風荷載作用下受損柱與理想柱受力情況對比

結合3.1節PKPM驗算結果，理想條件下結構中個別梁、柱的穩定性不滿足要求；結構承載力因鋼柱變形而顯著降低，且梁、柱的承載力和穩定性也有所下降，不符合相關規范要求。

4 鑒定評級及加固對措

根據GB 50144—2019工業建筑可靠性鑒定標準［14］，鑒定單元取為建筑整體結構，包括地基基礎、上部承重結構和維護結構3個結構系統。結合前文對該廠房的現場檢測及針對理想結構和受損結構的分析結果，對結構子單元評級如表2所示，綜合考慮各子單元評級結果，將該建筑整體結構可靠性等級評為Csu級，不符合正常安全使用要求，建議立即采取以下措施對結構進行加固：

表2 輕鋼結構儲煤場可靠性綜合鑒定評級

1）考慮到因廠房內材料堆放不合理導致結構發生不均勻沉降，建議對建筑使用功能進行重新規劃調整，避免在后續使用過程中再次對結構造成影響。2）對發生局部變形的中柱采用增大截面法外包鋼板進行加固，并在鋼柱根部外包鋼筋混凝土（混凝土厚200 mm，高1 200 mm），以防其再次受撞擊。3）考慮到原有磚砌體圍護墻平面外變形嚴重，且砌體結構抵抗側向壓力的能力較差，建議將原磚砌體圍護墻拆除，采用鋼筋混凝土圍護結構。

5 結論

本文依托于某輕型鋼結構儲煤廠房典型工程，通過現場調研發現其存在以下問題：由于結構特殊的使用環境以及日常維護不及時，導致部分構件銹蝕情況較嚴重；廠房使用功能改變和不合理的材料堆放，使結構出現不均勻沉降；鋼柱在撞擊作用下發生局部變形與傾斜，降低了結構承載力。通過PKPM和ABAQUS軟件分別研究了理想條件下與含受損鋼柱的平面剛架結構的承載力，結果表明，中柱發生變形后顯著削弱了結構承載力。最后，針對以上問題，提出了相應的加固改造措施。

依據對該輕型鋼結構儲煤廠房典型案例的檢測鑒定經驗，在類似此非正常使用條件的結構時，應關注以下3個方面：1）結構使用功能發生較大改變時，必須根據構件的實際情況重新進行結構驗算，以檢測其安全性，并采取相應的加固或改造措施；2）針對有特殊使用功能或特殊使用環境的結構，進行定期維護，保障結構的安全性與耐久性；3）構件變形損傷會顯著降低結構的承載性能，廠房在工作期間應避免主要構件受到機械的撞擊作用。