鋼結構技術論文
中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
摘 要：論文針對鋼結構加工和安裝過程中可能出現的偏差，歸納了現行《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）中規定的對于結構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構性能的分析。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構穩定性的影響。分析結果對于鋼結構的加工制作以及施工控制都具有重要的實際意義。
關鍵詞：單層鋼框架；加工安裝；偏差組合；有限元分析
鋼結構具有重量輕、強度高、工業化程度高、抗震性能好、施工速度快且可循環使用等多種優點。在現代工業廠房、大跨度建筑以及高層建筑中被廣泛應用。然而，也正是由于鋼結構的材料強度高，鋼結構的構件截面相對較小，鋼結構構件常表現長、薄、柔、細等的特點。而為了節約鋼材的用量，鋼結構在設計時一般對截面強度利用比較充分，構件的“應力比”比較大。所以，鋼結構對加工安裝中的幾何偏差、局部應力、腐蝕等敏感性比較強。所以加強鋼結構工程施工質量的控制，保證鋼結構工程實現預期的目標具有十分重要的意義。
由于《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205-2001）（以下簡稱為驗收規范）只給出了工程驗收合格的標準，而沒有關于在加工和安裝偏差情況下的影響、評定，鋼結構工程在施工過程中可能出現的各種缺陷對于結構性能的影響缺乏相應的了解，這就有可能造成在實際工程中對于鋼結構的加工和安裝過程中出現的誤差等質量問題處理不當，而造成很大浪費，或者成為安全隱患。所以加強對鋼結構工程的施工質量控制，了解各種質量問題、各種缺陷對于結構性能的影響具有十分重要的實際意義。
1 驗收規范對于加工和安裝偏差的分類
1.1 與單層框架結構相關的偏差
根據施工驗收的規定[1]，鋼結構工程在加工和安裝過程可能出現的各種偏差，按照單層、多層加以區分。這里將對結構性能有直接影響的偏差進行歸類[2]，以便于了解各種偏差的影響。
1）單層鋼結構偏差1。
在驗收規范中對單層鋼結構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定，見圖1,允許偏差⊿為5mm。
圖1 單層柱腳偏差圖
這個規定的限值與鋼柱地腳螺栓的允許偏差是不協調的，因在GB50205的第10.2.2中允許的地腳螺栓偏差為5mm，預留孔中心偏差為10mm。在極端情況下就可能造成柱腳無法安裝。
2）單層鋼結構偏差2
在驗收規范中，對于單層鋼柱的安裝彎曲矢高的偏移量規定為不超過偏差H/1200(mm)（H為單層鋼結構柱柱高）且不應大于15mm。
3）單層鋼結構偏差3
在驗收規范中對于單層鋼柱軸線垂直度的偏移量規定，對于單層柱：H≤10m，單層鋼結構柱軸線垂直度允許偏差為H/1000（mm）（H均為單層鋼結構柱柱高）；當H>10m， 單層鋼結構柱軸線垂直度允許偏差H/1000（mm），且不應大于25mm，見圖2。
對于多節柱有類似的規定。
圖2 單層柱軸線垂直度偏差圖
4）單層鋼結構偏差4
在驗收規范中，對于梁類構件的側向彎曲矢高的允許偏差（l為單層鋼結構梁的跨度）：
l ≤30m，允許偏差為l/1000（mm），且不應大于10mm；
30m< l ≤60m，允許偏差為l/1000（mm），且不應大于30mm；
l >60m，允許偏差為l/1000（mm），且不應大于50mm。
5）單層鋼結構偏差5
在驗收規范中，對于鋼屋架、桁架、梁及受壓桿件垂直度和側向彎曲的允許偏差如圖3所示，為h/250(mm)(h為梁高)，且不應大于15mm。
圖3 單層鋼結構梁跨中垂直度偏差圖
6）單層鋼結構偏差6。
在驗收規范中中，對于單層結構整體垂直度允許偏差△允許值為：H/1000(mm)(H為單層鋼結構主體結構的高度)，且不應大于25mm，見圖4。
圖4 單層鋼結構整體垂直度偏差圖
7）單層鋼結構偏差7。
在驗收規范中，對于單層結構整體平面彎曲的允許偏差△規定：允許偏差為l/1500(mm)(l為單層鋼結構主體結構的長度)，且不應大于25mm。
歸納對于單層鋼結構加工和安裝偏差：偏差1到偏差5都是單個構件引起的加工和安裝偏差；偏差1一般是在鋼結構安裝過程中出現；偏差2一般是在鋼結構加工過程中出現；偏差3和偏差4在鋼結構加工和安裝過程中均有可能出現；而偏差6和偏差7是鋼結構在安裝出現的偏差。
2 加工安裝偏差組合及其對于單層單跨鋼框架結構受力性能的影響
2.1 單層框架結構相關的偏差的組合
對于單層單跨鋼結構的加工和安裝偏差的影響，除了需要考慮單種偏差的作用，還應當考慮多種偏差同時出現的可能以及可能的影響。因此這里提出在鋼結構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生初應力的影響，如：在實際安裝過程中，柱腳底座中心線對定位軸線產生偏移，同時梁出現側曲等。而出現這些情況時采取強迫就位措施，這時就會產生初應力。而初始偏差的另一種影響是不產生初應力，就是不強迫就位進行安裝，這時的主要影響是結構位移的影響。這兩種影響的組合，本文進行分別討論。
單層單跨鋼結構加工和安裝產生偏差組合原則：按工程中可能同時出現的可能性，將各種偏差產生的效應進行疊加，但為了簡化分析，對于單個構件，對上述的7種偏差不同時出現，尋找最不利的初偏差組合。
根據對于單層結構的初步分析，單層單跨框架結構加工和安裝產生初應力偏差的組合，主要是柱腳底座中心線對定位軸線產生偏移，即偏差1；柱軸線垂直度偏差，即偏差3；梁側向彎曲矢高偏差，偏差4。進行組合。對于各種偏差需要考慮左右不同方向。在進行組合時，按照組合后產生的初應力最大為原則進行偏移。這樣可以得到可能產生不利影響的初偏差組合主要有下面8種：
組合1：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構右柱柱腳偏差；
組合2：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構柱軸線垂直度偏差；
組合3：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合4：單層單跨鋼結構柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合5：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構右柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構柱軸線垂直度偏差；
組合6：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構右柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合7：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合8：單層單跨鋼結構左柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構右柱柱腳偏差+單層單跨鋼結構柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差。
對于只有初始位移沒有初始應力的偏差，對于結構性能影響較大的，與有初始應力的類似，將主要有影響的組合列出，也有8種，包括：
組合1：單層單跨鋼結構左柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結構右柱柱彎曲矢高偏差；
組合2：單層單跨鋼結構左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構右柱柱彎曲矢高偏差；
組合3：單層單跨鋼結構左柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合4：單層單跨鋼結構左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構右柱柱軸線垂直度偏差；
組合5：單層單跨鋼結構左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合6：單層單跨鋼結構左柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結構右柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差；
組合7：單層單跨鋼結構左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構右柱柱彎曲矢高偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差
組合8：單層單跨鋼結構左柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構右柱柱軸線垂直度偏差+單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差。
2.2 偏差及偏差組合應力影響分析
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。
對于單層單跨鋼結構加工和安裝偏差產生附加應力的計算采用大型有限元分析軟件ANSYS進行建模計算，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格，采用映射網格劃分。單層單跨鋼結構柱腳連接均是剛接，柱與梁連接均是剛接。對于單層單跨鋼結構柱腳偏移和梁側向彎曲矢高偏差，在ANSYS建模計算時均是通過施加位移荷載的方式來實現；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。
這里以一30m×9m單層單跨鋼結構為典型研究對象[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單層單跨鋼結構偏差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單層單跨鋼結構偏差3即柱軸線垂直度的偏移量取值為9mm。
3）30m×9m單層單跨鋼結構偏差4即梁側向彎曲矢高的偏移量取其驗收規范規定的最大允許值l/1000=30mm＞10mm，取最大允許值為10mm。
計算在上述三項初始偏差下，結構的初始應力以及這三項初始偏差組合作用下（共有8種組合）的初始應力（安裝應力），得到表1。在表1中，為了反應各種偏差及偏差組合作用的影響，對于該單層框架結構按實際工程中的參數施加荷載，從而可以得到各種偏差影響的大小。
1）由表1可以看出，單層單跨鋼結構加工和安裝偏差組合產生初應力最大的組合為偏差組合8，最大初應力出現在左柱腳；偏差組合產生的最大初變形也均為偏差組合8，最大初變形均出現在梁跨中。所以在單層單跨鋼結構施工過程中應盡量避免組合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向彎曲矢高偏差同時出現。
表1 30mX9m單層單跨鋼結構框架初始偏差組合的影響
注：正值（最大應力）為壓應力值，負值（最小應力）為拉應力值。
2）由表1可以看出，偏差組合5和偏差組合8產生的附加初應力均都相等，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（單層單跨鋼結構梁側向彎曲矢高偏差），可見偏差4對單層單跨鋼結構柱腳應力幾乎沒有影響，而對單層單跨鋼結構的最大變形影響比較大。
3）相對于不考慮偏差影響的情況，單一種偏差產生的附加應力最大增加了6.93%，而如果考慮偏差組合情況，最大附加應力增大了10.59%?？梢?，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定性的影響分析
這里主要是計算鋼結構加工和安裝偏差產生初應力對鋼結構彈性穩定的影響。在用有限元分析鋼結構加工和安裝產生初始偏差對結構穩定性的影響時，主要是求出，結構在各種偏差及其各種偏差組合存在的情況下，結構的第一階模態的屈曲荷載系數；通過對屈曲荷載系數的比較，來得出對結構穩定性的影響。
表2 30mX9m偏差對框架穩定性的影響
通過計算結果（表2）可以看出，在滿足驗收規范情況下的初始偏差及偏差組合，對于單層結構的穩定性影響都很小，一般均可不予考慮。
3 結 語
本文基于《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB50205）所規定的允許在鋼結構加工安裝中的偏差，并對其進行了歸類。在此基礎上，提出了鋼結構加工安裝初始偏差的組合，并給出了單層單跨框架結構的考慮初始應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構應力的影響以及穩定性的影響進行了分析。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生的附加應力要增加50%以上；偏差組合對于單層框架結構的穩定性影響不大。
參考文獻
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[2] 袁繼勝.鋼結構加工安裝偏差對結構性能影響[D] .[碩士學位論文].鄭州:鄭州大學，2010
[3] 編輯委員會.輕型鋼結構設計指南（實例與圖集）第二版[M].北京:中國建筑工業出版社，2005.
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