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門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝若干問題探討

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    陳友泉
    （310003，杭州 浙江杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司）
    摘要：我國現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝驗收規(guī)范沒有充分考慮門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝技術特點，諸多不適宜的技術規(guī)定約束了門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的應用和發(fā)展，如：薄腹板平面度的允許偏差值過嚴；端板與H型構(gòu)件翼緣之間焊縫規(guī)定采用全熔透對接焊縫；端板抗滑移系數(shù)不小于0.3。還有其他的一些傳統(tǒng)觀念：不考慮加楔片調(diào)整屋蓋梁平直度；錨栓不能抗剪等問題。此外，對火焰烘烤矯正鋼構(gòu)件的負面影響作了探討。
    關鍵詞：腹板平面度 楔片 單面角焊縫 非全熔透坡口對接加角接組合焊縫 抗滑移系數(shù) 抗剪鍵

    前言
    門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)在我國是九十年代初開始涌現(xiàn)，在設計理念方面受美國等外資企業(yè)的影響，擺脫傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設計的習慣做法，有很多創(chuàng)新之處，隨之有了《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》CECS102：98及新修訂的CECS102：2002版本，該技術規(guī)程對于推動我國門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新和發(fā)展起了非常重要的作用，然而在門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝驗收方面，仍缺乏一本與之配套的技術規(guī)程。國家現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50205-2001是一本通用的鋼結(jié)構(gòu)工程施工驗收規(guī)范，該技術規(guī)范適用于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝驗收，對門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝技術特點關注不夠，由于輕鋼構(gòu)件輕巧細長，制作變形控制比傳統(tǒng)鋼構(gòu)件要困難得多。隨著工程實踐的需要，2002年國家建設部頒布了《門式剛架輕型房屋鋼構(gòu)件》JG144-2002，規(guī)定了門式剛架輕鋼構(gòu)件的制作驗收標準，該標準作為GB50205-2001的補充，增加了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的制作驗收標準、單面角焊縫的技術條件、放寬了對H型構(gòu)件薄腹板平面度的允許偏差等，對于輕鋼結(jié)構(gòu)的制作起了很好的促進作用。上海市工程建設規(guī)范《輕型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝驗收規(guī)程》DG/TJ08-010-2001，也做了類似上述的工作。
    盡管如此，但輕鋼結(jié)構(gòu)在制作、安裝方面仍存在有因其技術規(guī)程或傳統(tǒng)觀念不適宜、不到位而阻礙其應用和發(fā)展的問題。目前的情況是：在制作方面或是為滿足驗收規(guī)程中的某些適宜于普鋼而不適宜輕鋼的技術條款放棄輕鋼設計改用傳統(tǒng)的普鋼設計，或是在驗收時制作方與業(yè)主、監(jiān)理方發(fā)生難以解決的爭執(zhí)，例如對于薄腹板平面度的允許偏差（即波浪變形）的認可問題，尤為突出。在安裝方面，對于火焰烘烤矯正鋼構(gòu)件所帶來的負面影響不予注意，可能給工程造成隱患等問題得不到控制。應將門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設計理念、制作工藝、安裝技術三者結(jié)合起來綜合考慮才能真正科學合理地解決好制作與安裝方面的問題，使輕鋼結(jié)構(gòu)真正符合技術先進、經(jīng)濟合理、安全適用之原則。
    一、關于H型構(gòu)件的腹板平面度的允許偏差
    腹板平面度的允許偏差問題就是如何控制制作過程中腹板波浪形鼓曲變形問題，輕鋼結(jié)構(gòu)的屋蓋梁和柱子主要采用H型構(gòu)件，H型構(gòu)件由二塊翼緣和一塊腹板組合焊接而成，在焊接過程中必然發(fā)生不均勻的熱脹冷縮，從而產(chǎn)生不均勻的焊接變形。腹板的邊緣與翼緣T型連接，在焊接加熱時鋼板處于熱塑狀態(tài)，腹板邊緣主要沿厚度方向自由膨脹，縱向受非加熱區(qū)約束難有伸長，在焊縫冷卻時，腹板邊緣纖維收縮，其纖維長度將略短于非加熱區(qū)的中心帶纖維長度，中心帶區(qū)域的略長之纖維體現(xiàn)為波浪形鼓曲變形，如欲消除或減少此變形可通過在非焊接區(qū)與焊接同步加熱的非常規(guī)辦法達此目的，但如果腹板高厚比較大，在噴砂拋丸除銹時，仍會產(chǎn)生大的變形。一般來說，為節(jié)省用鋼量，H型構(gòu)件的腹板高厚比要大，腹板的高厚比越大，制作的波浪形鼓曲變形越大。實腹式H構(gòu)件的腹板在剪力作用下，總是有一對正交的主拉、主壓應力場，主壓應力超過臨界壓應力時板件屈曲，主拉應力場則有克服屈曲的效果，使腹板屈曲后仍有承載能力。如果配之以通長的橫向加勁肋之后，實腹式H構(gòu)件可轉(zhuǎn)化成類似空腹式桁架的結(jié)構(gòu)型式，見圖1所示，此時，腹板的屈曲對構(gòu)件的極限承載力影響大為減弱。有鑒于此，對薄腹板平面度的允許偏差驗收規(guī)定是否仍按傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的較嚴格的規(guī)定值，值得探討。現(xiàn)行GB50205-2001規(guī)范對腹板平面度的允許偏差規(guī)定之嚴格，使得薄腹板構(gòu)件不能得到應用，JG144-2002在GB50205的基礎上參考美國的MBMA《Low Rise Building Systems Manual》，對于腹板厚度≤6mm的情況規(guī)定其平面度的允許偏差為h/100，比MBMA規(guī)定的h/72嚴格。此外，MBMA關于平面度的允許偏差f的定義是指腹板中心帶的縱向正弦波幅，如圖2(a)所示，而GB50205和JG144-2002的f定義是1000mm長度范圍內(nèi)的鼓曲程度，見圖2(b)所示，顯然，當腹板的變形波長正好為2000mm時，則兩者定義的值是相同的，而變形波長為1000mm時，則GB50205和JG144的f定義值是MBMA的2倍。從圖2(a)可以看出，MBMA的正弦波形態(tài)正確地反映了腹板變形的本質(zhì)，允許的平面度偏差f直接取決于梁高h，以此衡量構(gòu)件的屈曲承載能力符合薄板穩(wěn)定理論，而GB50205和JG144-2002所定義的f變形狀態(tài)為局部的單向鼓曲度，不符合變形本質(zhì)。目前輕鋼構(gòu)件的加工水平，若按照MBMA的規(guī)定驗收較容易通過，而按JG144-2002的規(guī)定較難通過，按GB50205的規(guī)定則不能用薄腹板制作，得改用傳統(tǒng)厚腹板設計。

    二、關于火焰矯正
    用火焰矯正變形構(gòu)件是一個常用的有效方法，主要問題是，應了解火焰矯正可能帶來的負面影響，否則有可能會造成一定的工程隱患。
    首先，應知道火焰矯正變形是利用了鋼材不均勻熱脹冷縮的原理必然會造成殘余應力，且殘余應力的分布總是在火焰烘烤的區(qū)域為殘余拉應力而遠離烘烤區(qū)域的為殘余壓余力。殘余拉、壓應力總量相等相互平衡，雖然不會影響構(gòu)件的強度極限承載能力，但會影響構(gòu)件的剛度，增加構(gòu)件的變形降低其穩(wěn)定承載能力。例如，一根簡支梁制作時下?lián)希没鹧婧婵鞠乱砭墔^(qū)域?qū)⑵涑C正，下翼緣區(qū)域?qū)⒂休^大的殘余拉應力，而上翼緣區(qū)域則有較大殘余壓應力，與外荷載產(chǎn)生的應力迭加后局部區(qū)域提前進入塑性，增加了下?lián)献冃?，原先矯正的效果大大消失。但如果是矯正此梁的側(cè)向彎曲則不會有此負面影響。
    其次，應知道火焰矯正宜一步到位，只有首次的火焰烘烤矯正效果最好，后繼的矯正因殘余應力的反復釋放和積聚，效果大大減弱趨于消失。
    第三，為加大矯正效果，采用澆水方法僅適用于Q235鋼材，不能用于Q345等低合金鋼，以免鋼材過度脆性化。
    三、關于加楔片調(diào)整屋蓋梁平直度
    門式剛架的梁?柱連接、梁?梁連接采用簡單的端板式連接，由于制作板件尺寸的偏差和焊接變形的影響，端板傾斜度會有偏差，見圖3所示。根據(jù)JG144-2002其允許傾斜度最大為H/300，最不利

    情況是兩相連構(gòu)件端板傾斜偏差方向相反，此時從理論上說，意味安裝發(fā)生的撓度值為跨度的1/150，顯然此值偏大需矯正，采用加楔片調(diào)整的辦法最為簡單方便，且無后遺癥，見圖4所示。由于GB50205規(guī)范的2001年版本刪除了95年版本中加楔片的條文，很多施工監(jiān)理工程師據(jù)此認為不允許現(xiàn)場加楔片，現(xiàn)場安裝人員只好采用火焰烘烤法，卻不知火焰烘烤的負面影響，有不少現(xiàn)場在已完成終擰的高強度螺栓連接處火焰烘烤，高強度螺栓的予拉力因此釋放，梁的下?lián)隙却蟠笤黾印?br />

    四、關于焊縫問題
    鋼結(jié)構(gòu)的焊縫設計受過去傳統(tǒng)習慣影響，T型連接一般都采用雙面角焊縫且焊縫尺寸偏大，盡管CECS102規(guī)程已有具體的單面角焊縫技術規(guī)定，但在某些地區(qū)的輕鋼結(jié)構(gòu)設計仍禁止用單面角焊縫。事實上，H型構(gòu)件的腹板與翼緣之間焊縫僅承受少量剪力，屬于構(gòu)造焊縫，采用單面角焊縫是沒有問題的[1]，如采用雙面角焊縫，一是降低了產(chǎn)量，增加焊接材料，二是加大構(gòu)件的變形，尤其是翼緣出現(xiàn)沿腹板的縱向彎折，見圖5所示，還需要有專門的矯正機矯正，顯然采用單面角焊縫具有極好的經(jīng)濟效益。采用單面角焊縫時，應有夾緊裝置使翼緣與腹板密貼，否則縫隙過大對抗腐蝕不利。當然，當焊縫受有拉力時，例如牛腿處和梁?柱剛接處的柱翼緣與腹板之間焊縫，應局部采用雙面角焊縫加強。

    另一個問題是端板與構(gòu)件翼緣之間的焊縫，按照CECS102應采用全熔透對接焊縫，事實上，文獻[2]的研究已表明采用普通的非全熔透角焊縫或坡口對接與角接組合焊縫完全可以滿足焊縫與翼緣等強度條件，該研究所做30個試件無一例出現(xiàn)焊縫破壞。采用普通非全熔透焊縫比采用全熔透對接焊縫大大簡化，既免除了超聲波探傷，又減少了端板的焊接變形，制作成本減少一半以上。
    五、關于端板面的抗滑移系數(shù)
    摩擦型高強度螺栓連接的板之接觸面抗滑移系數(shù)直接決定了節(jié)點的承載能力，但對于端板式連接，高強度螺栓主要是受拉，剪力小，不控制設計[3]，因此對其接觸面的抗滑移系數(shù)不必限制很嚴，CECS102規(guī)定的0.3系數(shù)偏高，不便于端面采用普通的防銹油漆，而端板式連接的兩端板之間是有明顯縫隙的，需要涂刷防銹油漆，涂刷防銹油漆的端板面抗滑移系數(shù)在0.2~0.3之間[4]，文獻[4]建議端板面抗滑移系數(shù)取0.15。
    六、關于柱底板抗剪鍵
    《工程建設標準強制性條文》2000版規(guī)定錨栓不能抗水平剪力，輕鋼結(jié)構(gòu)屋面材料輕，一般約為0.15kN/m2，在風吸力作用下柱底有上拔力，因此所有的單層門式輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)在風吸力作用下柱底都無摩擦力用于抗水平剪力，都必須設抗剪鍵，因設置抗剪鍵就必須在混凝土基礎上留有抗剪鍵槽，給施工安裝帶來極大不便。事實上，柱子底部一般設有4個及以上錨栓對稱布置，如柱底為剛接，一半的錨栓抵抗彎矩受拉，另一半錨栓不受拉力，可用于抗水平剪力；如為鉸接，在風吸力作用下，有2個錨栓（設計時應考慮好）足以抗拔風力，剩余的錨栓承載力可用于抗水平剪力。文獻[5]認為鉸接柱應考慮施工安裝的需要及火災情況，需要柱底有一定的嵌固度，設置4個錨栓，水平抗剪鍵可以取消，文獻[6]對錨栓承載力進行了研究，也主張錨栓可以參與抗剪。新版本的《工程建設標準強制性條文》已刪除了錨栓不能抗剪的條文，新版《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50017-2003的提法是錨栓不宜抗剪。只要注意好柱底與混凝土基礎交接的細部構(gòu)造，利用錨栓抗剪是沒有問題的[6]，但習慣觀念一時不易改變，推廣應用仍有困難。
    小結(jié)：
    我國現(xiàn)行輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝的驗收規(guī)范中有諸多不適宜規(guī)定，制約了輕鋼結(jié)構(gòu)的應用和發(fā)展，需將新的設計理念、制作工藝與安裝技術三方面結(jié)合綜合考慮，才能形成一個更為完善的、更先進合理的門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)技術規(guī)范體系以適應輕鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。
    參考文獻
    1．陳以一等，單面角焊縫連接的H形鋼構(gòu)件抗剪極限承載力，建筑結(jié)構(gòu)，2002，32（9）；
    2．同濟大學建筑工程系鋼結(jié)構(gòu)研究室等，輕型門式剛架H型鋼構(gòu)件翼緣與端板非全熔透焊縫連接的節(jié)點性能試驗研究報告，TJCE-CE-2004-07；
    3．陳友泉，高強度螺栓連接的應用問題探討，鋼結(jié)構(gòu)，2004，19（4）；
    4．陳以一等，涂醇酸鐵紅或聚氨脂富鋅漆連接面抗滑移系數(shù)測定，建筑結(jié)構(gòu)，2004，34（5）；
    5．L.J. Morris，A commentary on portal frame design，The structural Engineer，Volume 59A/No.12/Dec.1981；
    6．童根樹、吳光美，鋼柱腳錨栓設計方法，建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2005，7（1）。
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