李新泰 王合乾 焦 平

(1.山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031;2.煙臺市地震局，山東煙臺 264000)

0 引言

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)是單層工業(yè)廠房中常見的結(jié)構(gòu)形式，這類結(jié)構(gòu)以其用鋼量少、重量輕、造價(jià)低、施工速度快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。由于對輕鋼結(jié)構(gòu)的不熟悉和使用不當(dāng)，使工程的安全度降低、存在結(jié)構(gòu)安全隱患，本文根據(jù)現(xiàn)場檢測鑒定過程中遇到的問題，提出認(rèn)識和建議。

1 平面結(jié)構(gòu)體系現(xiàn)場判定

輕鋼結(jié)構(gòu)事故發(fā)生的原因體現(xiàn)在設(shè)計(jì)方面，主要表現(xiàn)在:設(shè)計(jì)中存在一系列不符合設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)程的技術(shù)錯(cuò)誤，主要包括計(jì)算簡圖的選取和實(shí)際情況不符，支撐系統(tǒng)的設(shè)置不符合規(guī)范要求，構(gòu)造措施不符合規(guī)范要求和加工制作方面的缺陷。

門式剛架結(jié)構(gòu)一般為有多余約束結(jié)構(gòu)體系，對于無設(shè)計(jì)圖紙及其他資料的工程，在現(xiàn)場檢查過程中，可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)二元體規(guī)則(即將二元體的兩端鉸與任意體系相連，不改變原體系的自由度。顯然，從任意體系上拆除一個(gè)二元體也不改變原體系的自由度。在任意體系上依次增加，或依次拆除二元體，原體系的自由度數(shù)不變)和拆除約束法(對于有多余約束的幾何不變體系，可以用去掉約束的方法，使體系成為無多余約束的幾何不變體系，所去掉的約束數(shù)就是原體系所具有的多余約束數(shù))，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)或采用格構(gòu)式構(gòu)件的輕鋼結(jié)構(gòu)快速判斷結(jié)構(gòu)體系是否為幾何可變體系或幾何不變體系[1]。

在運(yùn)用規(guī)則過程中，首先應(yīng)對鋼節(jié)點(diǎn)性質(zhì)進(jìn)行判定。如圖1所示為門式剛架斜梁與柱常見的連接形式[2]，加勁肋、節(jié)點(diǎn)域、端板及螺栓布置等還需滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求，圖2中柱頂端板橫放，兩側(cè)均與斜梁通過4M20螺栓連接，兩側(cè)梁端中間作為排水溝，無法形成節(jié)點(diǎn)域，且梁柱節(jié)點(diǎn)無法作為剛性連接;圖3為梁端與柱側(cè)焊接的支撐板通過焊接連接，梁中心線與支撐板中心線沒有對齊，無法形成節(jié)點(diǎn)域，無法作為梁柱剛性節(jié)點(diǎn)，均視為鉸接。由于柱腳為兩對螺栓的鉸接柱腳，該結(jié)構(gòu)體系為幾何可變體系。應(yīng)對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理以滿足剛性節(jié)點(diǎn)(實(shí)際端板連接并非完全剛性連接)要求，圖2的連接處理方式應(yīng)考慮排水的要求，避免后續(xù)積水對房屋使用造成影響。

端板連接節(jié)點(diǎn)需要靠端板的緊密結(jié)合和高強(qiáng)螺栓的正常工作?，F(xiàn)場檢查過程中，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)螺栓終擰扭矩、螺栓絲扣外露扣數(shù)不滿足GB 50205-2001鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范的要求、端板之間存在空隙等情況，由此造成的問題是剛架無法形成剛性節(jié)點(diǎn)，平面內(nèi)剛度降低，對結(jié)構(gòu)的受力和正常使用造成影響。檢測過程中，有必要檢查高強(qiáng)螺栓終擰扭矩。對于終擰扭矩滿足要求而螺栓絲扣外露扣數(shù)不滿足要求的，可能由于端板厚度根據(jù)規(guī)程確定[2]，由于焊接后板件變形使得端板留有縫隙、涂層、制作誤差所致，且端板連接主要技術(shù)關(guān)鍵是保證高強(qiáng)螺栓的預(yù)拉力從而保證節(jié)點(diǎn)剛度，對于螺栓絲扣外露扣數(shù)要求可放寬。

圖1 門式剛架斜梁與柱的連接

圖2 梁柱節(jié)點(diǎn)無法形成節(jié)點(diǎn)域，非剛性節(jié)點(diǎn)

圖3 梁端與柱端端板連接，非剛性節(jié)點(diǎn)

2 端板連接節(jié)點(diǎn)形式

剛架構(gòu)件的端板連接需要符合強(qiáng)連接弱構(gòu)件的原則，端板連接僅可以按照受到的最大內(nèi)力設(shè)計(jì)(使用階段為剛性連接，而在罕遇地震作用下處于彈塑性工作狀態(tài)為半剛性連接，連接變形利于地震能量的吸收)，考慮抗震的剛節(jié)點(diǎn)要求要低(對構(gòu)件連接應(yīng)進(jìn)行兩階段設(shè)計(jì)，首先是按照構(gòu)件承載力進(jìn)行連接的彈性承載力設(shè)計(jì)，最后是進(jìn)行連接的極限承載力設(shè)計(jì)[3])，當(dāng)節(jié)點(diǎn)域厚度不滿足規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)加厚腹板或設(shè)置斜加勁肋。腹板加厚可按GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的8.3.5條文說明的要求施工，當(dāng)確有困難或采用軋制型鋼時(shí)，可采用節(jié)點(diǎn)域貼焊補(bǔ)強(qiáng)板加強(qiáng)，但對于已經(jīng)投入使用的結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)由于受到施工空間(如系桿與節(jié)點(diǎn)域焊接的端板連接，吊頂?shù)?和使用條件的限制變得比較困難，也可考慮增加梁端高度(加腋)或改成楔形梁來增大節(jié)點(diǎn)域體積(同時(shí)需要增加節(jié)點(diǎn)區(qū)加勁肋)。

3 空間整體穩(wěn)定及蒙皮效應(yīng)

門式剛架為平面受力結(jié)構(gòu)體系，平面外的荷載需要靠各種支撐體系解決。屋面橫向水平支撐和柱間支撐用以解決平面外荷載、剛度和穩(wěn)定問題。由于輕型門式剛架結(jié)構(gòu)的屋面和墻面圍護(hù)板具有一定的蒙皮效應(yīng)，使得鋼結(jié)構(gòu)體系具有一定的空間效果。但蒙皮效應(yīng)發(fā)揮的作用由于屋面板連接、開洞和構(gòu)造等方面的原因，不宜定量考慮。

在現(xiàn)場檢測過程中，剛架平面外的剛度和穩(wěn)定問題主要根據(jù)剛架的側(cè)向位移、系桿和支撐的端部連接構(gòu)造等得以體現(xiàn)。圖4，圖5是某廠房由于未設(shè)置屋面支撐和柱間支撐，檁托處螺栓缺失，造成平面外剛度較弱，根據(jù)對剛架柱垂直度的抽查，實(shí)測垂直度偏差遠(yuǎn)超垂直度允許偏差。該工程應(yīng)在加設(shè)屋面支撐和柱間支撐的同時(shí)考慮糾偏剛架，以形成空間穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。在糾偏過程中應(yīng)注意根據(jù)現(xiàn)場條件和施工圖要求，制定施工組織設(shè)計(jì)，安排好安裝順序，施工中及時(shí)注意剛架固定，避免發(fā)生事故。

圖4 某廠房屋面布置

圖5 某廠房檁條與檁托未連接

4 連續(xù)檁條的選取

由于不少工程采用連續(xù)斜卷邊Z形鋼檁條，認(rèn)為連續(xù)檁條比簡支檁條可減少最大彎矩20%左右，撓度大為減少，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，連續(xù)檁條在鋼梁處連續(xù)，搭接長度需要滿足設(shè)計(jì)要求，螺栓孔對位對加工制作及施工要求較高，在搭接嵌套處存在一定的松動滑移，支座處有部分彎矩轉(zhuǎn)移至跨中，在支座處為雙截面，具有雙倍于跨中單檁條的承載能力，控制設(shè)計(jì)為跨中的截面[4]。由于連續(xù)檁條支座為負(fù)彎矩，下翼緣受壓，屋面板和拉條位于上翼緣附近，對下翼緣的約束作用減少，應(yīng)加強(qiáng)支座處屋面板與檁條的約束作用，使支座處檁條與具有蒙皮效應(yīng)的屋面板形成約束，并增設(shè)位于下翼緣附近的拉條，可改善檁條的受壓性能。在現(xiàn)場檢測過程中，存在搭接長度的不足、搭接端螺栓的缺失的情況(如圖6所示)，形成連續(xù)檁條的剛度條件太弱。

5 超規(guī)范荷載和結(jié)構(gòu)安全

門式剛架輕型房屋沒有更多承載能力富余量去對付超標(biāo)準(zhǔn)的荷載效應(yīng)，應(yīng)關(guān)注風(fēng)、雪荷載效應(yīng)問題。如關(guān)注風(fēng)吸力作用下構(gòu)件及連接的性能、高低不平處堆積雪造成檁條壓垮引起剛架失穩(wěn)倒塌等情況。

在利用PKPM軟件STS模塊進(jìn)行門式剛架二維設(shè)計(jì)過程中，雪荷載沒有得到反映，在檁條設(shè)計(jì)中得到體現(xiàn)[4]。當(dāng)采用壓型鋼板輕型屋面時(shí)[2]，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值(按水平投影面積計(jì)算)應(yīng)取0.5 kN/m2。注:對受荷水平投影面積大于60 m2剛架構(gòu)件，屋面豎向均布活荷載的標(biāo)準(zhǔn)值可取不小于0.3 kN/m2。由于輕鋼結(jié)構(gòu)對雪荷載比較敏感，大雪壓垮輕鋼廠房例子較多，應(yīng)充分考慮雪荷載對剛架尤其是檁條的荷載效應(yīng)。一旦出現(xiàn)較大的雪荷載就會危及結(jié)構(gòu)的安全(多數(shù)是局部檁條承擔(dān)的荷載超過設(shè)計(jì)值，檁條壓垮屋蓋梁失去側(cè)向支撐作用，失去整體屋面蒙皮效應(yīng)而導(dǎo)致整體剛架倒塌[5])。從安全角度考慮，對雪荷載較大的地區(qū)，應(yīng)考慮后續(xù)施工、惡劣天氣的影響，應(yīng)增加結(jié)構(gòu)的安全儲備，而不是一味追求經(jīng)濟(jì)效益。對于可能積雪的位置局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)(檁條加密、加強(qiáng)檁條與屋面板的連接等)，同時(shí)考慮屋面雪荷載不均勻分布。

在較大風(fēng)吸力作用下(如臺風(fēng))屋蓋被掀起的事故常有發(fā)生，在施工過程中較大的風(fēng)載也會對安全形成威脅，也會給后續(xù)的剛架糾偏等工作造成困難。在風(fēng)吸力作用下，屋面檁條的下翼緣受壓，如屋面檁條下翼緣無加勁肋和側(cè)向支撐，致使檁條發(fā)生失穩(wěn)破壞。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)注意到GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(2006版)整體計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)振系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)，臺風(fēng)的脈動效應(yīng)產(chǎn)生的瞬時(shí)風(fēng)壓較基本風(fēng)壓大，導(dǎo)致風(fēng)荷載設(shè)計(jì)偏小。對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)根據(jù)文獻(xiàn)[2]相關(guān)規(guī)定確定。對于實(shí)腹式檁條在風(fēng)吸力作用是穩(wěn)定計(jì)算時(shí)拉條的設(shè)置位置，存在兩種觀點(diǎn)[6]:1)拉條宜在檁條的上、下翼緣附近適當(dāng)布置;2)僅在檁條的上翼緣附近設(shè)置拉條，下翼緣受壓時(shí)可通過穩(wěn)定計(jì)算滿足。作者認(rèn)為應(yīng)增加冗余約束，布置備用的傳力途徑，下翼緣受壓時(shí)通過穩(wěn)定計(jì)算，翼緣附近適當(dāng)布置拉條可作為安全儲備(如圖7所示)。對于較大風(fēng)載下柱腳螺栓被拔起導(dǎo)致房屋倒塌的情況，應(yīng)注意柱腳錨栓的抗拔力計(jì)算和設(shè)計(jì)。

圖6 連續(xù)檁條搭接長度不足，螺栓缺失

圖7 下部拉條作為安全儲備

對于無多余承載能力的門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)增加安全儲備，并針對超規(guī)范荷載采取有效措施，避免由于屋面次結(jié)構(gòu)失效引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌。

6 結(jié)語

1)端板連接節(jié)點(diǎn)需要靠端板的緊密結(jié)合和高強(qiáng)螺栓的正常工作，否則無法形成剛性節(jié)點(diǎn)，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的發(fā)揮、剛度的形成。需要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)時(shí)，要考慮加強(qiáng)施工空間和使用情況。2)現(xiàn)場檢測鑒定過程中，應(yīng)加強(qiáng)細(xì)部構(gòu)造的檢查。3)蒙皮效應(yīng)不宜定量考慮，空間結(jié)構(gòu)的形成需要考慮各種支撐體系解決。4)不應(yīng)一味追求經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)增加結(jié)構(gòu)安全度，抵抗超規(guī)范荷載，避免結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。

[1] 馭 球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社，2000:22-28.

[2] CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] 朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011:423-424.

[4] 鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件STS用戶手冊(2010版)[M].北京:中國建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部，2011:90-92.

[5] 陳友泉，魏潮文.門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工疑難問題釋義[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009:91-92，155.

[6] 汪一駿.輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南(實(shí)例與圖集)[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006:305.