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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[2] 袁繼勝.鋼結(jié)構(gòu)加工安裝偏差對結(jié)構(gòu)性能影響[D] .[碩士學(xué)位論文].鄭州:鄭州大學(xué),2010
[3] 編輯委員會.輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指南(實例與圖集)第二版[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.
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