中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會
建筑鋼結(jié)構(gòu)分會主辦
摘 要：論文針對鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝過程中可能出現(xiàn)的偏差，歸納了現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）中規(guī)定的對于結(jié)構(gòu)性能可能有影響的偏差類別。提出了考慮主要偏差類型及組合下的單層單跨結(jié)構(gòu)性能的分析。論文主要考慮這些加工安裝偏差組合的安裝應(yīng)力影響，幾何位移影響，同時還考慮了在外荷載以及考慮加工安裝偏差下對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。分析結(jié)果對于鋼結(jié)構(gòu)的加工制作以及施工控制都具有重要的實際意義。
關(guān)鍵詞：單層鋼框架；加工安裝；偏差組合；有限元分析
鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強度高、工業(yè)化程度高、抗震性能好、施工速度快且可循環(huán)使用等多種優(yōu)點。在現(xiàn)代工業(yè)廠房、大跨度建筑以及高層建筑中被廣泛應(yīng)用。然而，也正是由于鋼結(jié)構(gòu)的材料強度高，鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件截面相對較小，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件常表現(xiàn)長、薄、柔、細(xì)等的特點。而為了節(jié)約鋼材的用量，鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計時一般對截面強度利用比較充分，構(gòu)件的“應(yīng)力比”比較大。所以，鋼結(jié)構(gòu)對加工安裝中的幾何偏差、局部應(yīng)力、腐蝕等敏感性比較強。所以加強鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量的控制，保證鋼結(jié)構(gòu)工程實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)具有十分重要的意義。
由于《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205-2001）（以下簡稱為驗收規(guī)范）只給出了工程驗收合格的標(biāo)準(zhǔn)，而沒有關(guān)于在加工和安裝偏差情況下的影響、評定，鋼結(jié)構(gòu)工程在施工過程中可能出現(xiàn)的各種缺陷對于結(jié)構(gòu)性能的影響缺乏相應(yīng)的了解，這就有可能造成在實際工程中對于鋼結(jié)構(gòu)的加工和安裝過程中出現(xiàn)的誤差等質(zhì)量問題處理不當(dāng)，而造成很大浪費，或者成為安全隱患。所以加強對鋼結(jié)構(gòu)工程的施工質(zhì)量控制，了解各種質(zhì)量問題、各種缺陷對于結(jié)構(gòu)性能的影響具有十分重要的實際意義。
1 驗收規(guī)范對于加工和安裝偏差的分類
1.1 與單層框架結(jié)構(gòu)相關(guān)的偏差
根據(jù)施工驗收的規(guī)定[1]，鋼結(jié)構(gòu)工程在加工和安裝過程可能出現(xiàn)的各種偏差，按照單層、多層加以區(qū)分。這里將對結(jié)構(gòu)性能有直接影響的偏差進(jìn)行歸類[2]，以便于了解各種偏差的影響。
1）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差1。
在驗收規(guī)范中對單層鋼結(jié)構(gòu)柱子安裝的允許偏差為柱對柱腳底座中心線定位軸線偏移量的規(guī)定，見圖1,允許偏差⊿為5mm。
圖1 單層柱腳偏差圖
這個規(guī)定的限值與鋼柱地腳螺栓的允許偏差是不協(xié)調(diào)的，因在GB50205的第10.2.2中允許的地腳螺栓偏差為5mm，預(yù)留孔中心偏差為10mm。在極端情況下就可能造成柱腳無法安裝。
2）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差2
在驗收規(guī)范中，對于單層鋼柱的安裝彎曲矢高的偏移量規(guī)定為不超過偏差H/1200(mm)（H為單層鋼結(jié)構(gòu)柱柱高）且不應(yīng)大于15mm。
3）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差3
在驗收規(guī)范中對于單層鋼柱軸線垂直度的偏移量規(guī)定，對于單層柱：H≤10m，單層鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度允許偏差為H/1000（mm）（H均為單層鋼結(jié)構(gòu)柱柱高）；當(dāng)H>10m， 單層鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度允許偏差H/1000（mm），且不應(yīng)大于25mm，見圖2。
對于多節(jié)柱有類似的規(guī)定。
圖2 單層柱軸線垂直度偏差圖
4）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差4
在驗收規(guī)范中，對于梁類構(gòu)件的側(cè)向彎曲矢高的允許偏差（l為單層鋼結(jié)構(gòu)梁的跨度）：
l ≤30m，允許偏差為l/1000（mm），且不應(yīng)大于10mm；
30m< l ≤60m，允許偏差為l/1000（mm），且不應(yīng)大于30mm；
l >60m，允許偏差為l/1000（mm），且不應(yīng)大于50mm。
5）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差5
在驗收規(guī)范中，對于鋼屋架、桁架、梁及受壓桿件垂直度和側(cè)向彎曲的允許偏差如圖3所示，為h/250(mm)(h為梁高)，且不應(yīng)大于15mm。
圖3 單層鋼結(jié)構(gòu)梁跨中垂直度偏差圖
6）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差6。
在驗收規(guī)范中中，對于單層結(jié)構(gòu)整體垂直度允許偏差△允許值為：H/1000(mm)(H為單層鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)的高度)，且不應(yīng)大于25mm，見圖4。
圖4 單層鋼結(jié)構(gòu)整體垂直度偏差圖
7）單層鋼結(jié)構(gòu)偏差7。
在驗收規(guī)范中，對于單層結(jié)構(gòu)整體平面彎曲的允許偏差△規(guī)定：允許偏差為l/1500(mm)(l為單層鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)的長度)，且不應(yīng)大于25mm。
歸納對于單層鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝偏差：偏差1到偏差5都是單個構(gòu)件引起的加工和安裝偏差；偏差1一般是在鋼結(jié)構(gòu)安裝過程中出現(xiàn)；偏差2一般是在鋼結(jié)構(gòu)加工過程中出現(xiàn)；偏差3和偏差4在鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝過程中均有可能出現(xiàn)；而偏差6和偏差7是鋼結(jié)構(gòu)在安裝出現(xiàn)的偏差。
2 加工安裝偏差組合及其對于單層單跨鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響
2.1 單層框架結(jié)構(gòu)相關(guān)的偏差的組合
對于單層單跨鋼結(jié)構(gòu)的加工和安裝偏差的影響，除了需要考慮單種偏差的作用，還應(yīng)當(dāng)考慮多種偏差同時出現(xiàn)的可能以及可能的影響。因此這里提出在鋼結(jié)構(gòu)的加工和安裝中各種可能偏差的組合[2]。這種偏差組合一種是產(chǎn)生初應(yīng)力的影響，如：在實際安裝過程中，柱腳底座中心線對定位軸線產(chǎn)生偏移，同時梁出現(xiàn)側(cè)曲等。而出現(xiàn)這些情況時采取強迫就位措施，這時就會產(chǎn)生初應(yīng)力。而初始偏差的另一種影響是不產(chǎn)生初應(yīng)力，就是不強迫就位進(jìn)行安裝，這時的主要影響是結(jié)構(gòu)位移的影響。這兩種影響的組合，本文進(jìn)行分別討論。
單層單跨鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝產(chǎn)生偏差組合原則：按工程中可能同時出現(xiàn)的可能性，將各種偏差產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行疊加，但為了簡化分析，對于單個構(gòu)件，對上述的7種偏差不同時出現(xiàn)，尋找最不利的初偏差組合。
根據(jù)對于單層結(jié)構(gòu)的初步分析，單層單跨框架結(jié)構(gòu)加工和安裝產(chǎn)生初應(yīng)力偏差的組合，主要是柱腳底座中心線對定位軸線產(chǎn)生偏移，即偏差1；柱軸線垂直度偏差，即偏差3；梁側(cè)向彎曲矢高偏差，偏差4。進(jìn)行組合。對于各種偏差需要考慮左右不同方向。在進(jìn)行組合時，按照組合后產(chǎn)生的初應(yīng)力最大為原則進(jìn)行偏移。這樣可以得到可能產(chǎn)生不利影響的初偏差組合主要有下面8種：
組合1：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱腳偏差；
組合2：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度偏差；
組合3：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合4：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合5：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度偏差；
組合6：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合7：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合8：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱腳偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差。
對于只有初始位移沒有初始應(yīng)力的偏差，對于結(jié)構(gòu)性能影響較大的，與有初始應(yīng)力的類似，將主要有影響的組合列出，也有8種，包括：
組合1：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱彎曲矢高偏差；
組合2：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱彎曲矢高偏差；
組合3：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合4：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱軸線垂直度偏差；
組合5：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合6：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差；
組合7：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差
組合8：單層單跨鋼結(jié)構(gòu)左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)右柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差。
2.2 偏差及偏差組合應(yīng)力影響分析
對于為了分析各種偏差組合的影響，這里參照工程中門式剛架常用的幾何尺寸作為參考尺寸。為了簡化分析，這里只考慮等高、梁柱截面為等截面的框架。
對于單層單跨鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝偏差產(chǎn)生附加應(yīng)力的計算采用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行建模計算，建模計算采用的單元均是梁單元beam188；對于單元的劃分，用四邊形單元劃分網(wǎng)格，采用映射網(wǎng)格劃分。單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接均是剛接，柱與梁連接均是剛接。對于單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱腳偏移和梁側(cè)向彎曲矢高偏差，在ANSYS建模計算時均是通過施加位移荷載的方式來實現(xiàn)；而對于柱軸線垂直度偏差，在是通過采用施加溫度變形的方式來實現(xiàn)。
這里以一30m×9m單層單跨鋼結(jié)構(gòu)為典型研究對象[3]，柱和梁的截面均采用H型鋼，其中柱的截面尺寸為1018×250×10×18，梁的截面尺寸為979×220×10×18。
1）30m×9m單層單跨鋼結(jié)構(gòu)偏差1即柱腳底座中心線對定位軸線的偏移量取值為5mm。
2）30m×9m單層單跨鋼結(jié)構(gòu)偏差3即柱軸線垂直度的偏移量取值為9mm。
3）30m×9m單層單跨鋼結(jié)構(gòu)偏差4即梁側(cè)向彎曲矢高的偏移量取其驗收規(guī)范規(guī)定的最大允許值l/1000=30mm＞10mm，取最大允許值為10mm。
計算在上述三項初始偏差下，結(jié)構(gòu)的初始應(yīng)力以及這三項初始偏差組合作用下（共有8種組合）的初始應(yīng)力（安裝應(yīng)力），得到表1。在表1中，為了反應(yīng)各種偏差及偏差組合作用的影響，對于該單層框架結(jié)構(gòu)按實際工程中的參數(shù)施加荷載，從而可以得到各種偏差影響的大小。
1）由表1可以看出，單層單跨鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝偏差組合產(chǎn)生初應(yīng)力最大的組合為偏差組合8，最大初應(yīng)力出現(xiàn)在左柱腳；偏差組合產(chǎn)生的最大初變形也均為偏差組合8，最大初變形均出現(xiàn)在梁跨中。所以在單層單跨鋼結(jié)構(gòu)施工過程中應(yīng)盡量避免組合8即左柱柱腳偏差、右柱柱腳偏差、柱軸線垂直度偏差及梁側(cè)向彎曲矢高偏差同時出現(xiàn)。
表1 30mX9m單層單跨鋼結(jié)構(gòu)框架初始偏差組合的影響
注：正值（最大應(yīng)力）為壓應(yīng)力值，負(fù)值（最小應(yīng)力）為拉應(yīng)力值。
2）由表1可以看出，偏差組合5和偏差組合8產(chǎn)生的附加初應(yīng)力均都相等，位置都為左柱腳，而偏差組合8比偏差組合5多了一項偏差4（單層單跨鋼結(jié)構(gòu)梁側(cè)向彎曲矢高偏差），可見偏差4對單層單跨鋼結(jié)構(gòu)柱腳應(yīng)力幾乎沒有影響，而對單層單跨鋼結(jié)構(gòu)的最大變形影響比較大。
3）相對于不考慮偏差影響的情況，單一種偏差產(chǎn)生的附加應(yīng)力最大增加了6.93%，而如果考慮偏差組合情況，最大附加應(yīng)力增大了10.59%。可見，對于單層框架偏差組合相對于單個偏差增加影響量增加了52%。
2.3 偏差及偏差組合對于框架穩(wěn)定性的影響分析
這里主要是計算鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝偏差產(chǎn)生初應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定的影響。在用有限元分析鋼結(jié)構(gòu)加工和安裝產(chǎn)生初始偏差對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響時，主要是求出，結(jié)構(gòu)在各種偏差及其各種偏差組合存在的情況下，結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)的屈曲荷載系數(shù)；通過對屈曲荷載系數(shù)的比較，來得出對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。
表2 30mX9m偏差對框架穩(wěn)定性的影響
通過計算結(jié)果（表2）可以看出，在滿足驗收規(guī)范情況下的初始偏差及偏差組合，對于單層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響都很小，一般均可不予考慮。
3 結(jié) 語
本文基于《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50205）所規(guī)定的允許在鋼結(jié)構(gòu)加工安裝中的偏差，并對其進(jìn)行了歸類。在此基礎(chǔ)上，提出了鋼結(jié)構(gòu)加工安裝初始偏差的組合，并給出了單層單跨框架結(jié)構(gòu)的考慮初始應(yīng)力的偏差組合和考慮初始安裝位移的偏差組合。對于初始偏差及偏差組合對于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響以及穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。分析表明：考慮初始偏差組合情況比僅僅考慮單一偏差組合所產(chǎn)生的附加應(yīng)力要增加50%以上；偏差組合對于單層框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響不大。
參考文獻(xiàn)
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