某超長懸挑結(jié)構(gòu)的施工事故原因分析

潘　寧　陳　輝　劉懷斌

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都　610081)

某超長懸挑結(jié)構(gòu)的施工事故原因分析

潘寧陳輝劉懷斌

(四川省建筑科學(xué)研究院，四川成都610081)

摘要:以某大跨鋼框架結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，針對該項(xiàng)目施工中屋蓋懸挑鋼梁時出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、彎曲變形的情況，采用原設(shè)計(jì)PKPM模型與SAP2000模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)對比驗(yàn)算，并運(yùn)用ANSYS對相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力分析，對比分析表明，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算基本正確，懸挑梁的應(yīng)力滿足材料強(qiáng)度要求，但整體變形不滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞:事故構(gòu)件，模型對比，有限元，荷載，應(yīng)力

1　工程概況

該項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度，屬于重點(diǎn)設(shè)防類，為二層鋼框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級為二級，結(jié)構(gòu)高度17.2 m，屋蓋懸挑最大長度為16.5 m，項(xiàng)目施工過程中安裝屋面懸挑梁時出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、彎曲變形，現(xiàn)場工程施工圖見圖1。

2　整體模型分析

2.1原設(shè)計(jì)存在的問題

圖1　現(xiàn)場工程施工圖

1)原設(shè)計(jì)中基本風(fēng)壓取值0.2 kN/m2，根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定，該項(xiàng)目應(yīng)取0.3 kN/m2;計(jì)算書風(fēng)荷載信息中:結(jié)構(gòu)X向基本周期、結(jié)構(gòu)Y向基本周期均為0.26 s，與結(jié)構(gòu)計(jì)算周期不一致; 2)原設(shè)計(jì)中阻尼比取值為0.05，根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，該項(xiàng)目為鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)取0.04; 3)原設(shè)計(jì)模型按平面屋頂計(jì)算，未按實(shí)際坡度建模。

2.2 SAP2000模型計(jì)算條件

本次校核計(jì)算所采用的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度、邊界條件等均依據(jù)原設(shè)計(jì)圖和計(jì)算書進(jìn)行。鑒于原設(shè)計(jì)存在上述考慮不周之處，因此在校核計(jì)算中采用以下計(jì)算條件:

1)基本風(fēng)壓取值0.3 kN/m2; 2)阻尼比取為0.04; 3)依據(jù)計(jì)算圖紙，屋面恒載取0.3 kN/m2，屋面活載取0.5 kN/m2; 4)按屋面設(shè)計(jì)坡度建模分析; 5)其余驗(yàn)算條件按原設(shè)計(jì)圖取值。

2.3整體模型校核

原設(shè)計(jì)采用PKPM軟件進(jìn)行計(jì)算，未考慮實(shí)際坡度。為了校核原設(shè)計(jì)，采用三維計(jì)算分析軟件SAP2000進(jìn)行建模分析，并考慮屋面坡度，其計(jì)算模型更接近真實(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。SAP2000模型見圖2。

圖2　SAP2000整體模型

兩軟件結(jié)構(gòu)模型的前三階模態(tài)的自振周期均非常接近，模型總質(zhì)量基本相同，詳見表1，表2。

表1　模型結(jié)構(gòu)周期對比

表2　模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比

對比分析表明:兩結(jié)構(gòu)模型的動力特性接近，整體模型考慮無明顯缺陷。

3　懸挑構(gòu)件分析

3.1應(yīng)力比分析

3.2構(gòu)件位移、撓度分析

“我介意。但為了梁兒，我可以不介意。你去看看他吧，我真替他擔(dān)心，如果你還有人性，希望你能可憐可憐他對你的一片真情?！彼砺冻隽藷o助無奈的一面，留下地址，然后離開了。

按照設(shè)計(jì)文件，對結(jié)構(gòu)取屋面活荷載0.5 kN/m2，恒荷載0.3 kN/m2進(jìn)行垂直方向的位移分析。

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形容許值規(guī)定，部分懸挑鋼梁的撓度容許值不滿足要求。計(jì)算結(jié)果見表3，懸挑構(gòu)件均為口型鋼，懸挑構(gòu)件編號見圖3。

4　事故構(gòu)件分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證事故結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果，采用有限元程序ANSYS進(jìn)行了事故構(gòu)件局部計(jì)算校核，具體分析如下。

4.1計(jì)算模型

計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算選取了部分懸挑結(jié)構(gòu)作為計(jì)算單元，選取依據(jù)是施工單位反映該部分在施工中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，為便于表達(dá)將目標(biāo)構(gòu)件進(jìn)行編號示于圖中，其中梁2對應(yīng)圖3中②號梁，梁3對應(yīng)圖3中③號梁。

表3　各構(gòu)件位移計(jì)算值及限值對比

圖3　懸挑構(gòu)件編號圖

圖4　計(jì)算模型

模型邊界條件為在框架梁與框架柱相交節(jié)點(diǎn)處的設(shè)置為嵌固端，認(rèn)為框架梁與框架柱節(jié)點(diǎn)滿足剛接條件。

模型荷載條件為: 1)從屋面結(jié)構(gòu)布置形式可以看出，屋面板為單向板，因此將原設(shè)計(jì)中的恒載標(biāo)準(zhǔn)值0.3 kN/m2與屋面活載標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN/m2按照從屬面積大小以線荷載形式施加在結(jié)構(gòu)次梁上; 2)封口梁荷載以集中力形式施加在懸挑梁端部。

模型計(jì)算工況為: 1)荷載基本組合; 2)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合; 3)施工荷載組合。

4.2荷載基本組合結(jié)果

荷載基本組合工況對應(yīng)于承載能力極限狀態(tài)，本次分析中主要考察目標(biāo)構(gòu)件的應(yīng)力情況，見表4，應(yīng)力滿足要求。

表4　荷載基本組合工況下最大應(yīng)力及應(yīng)力比

4.3荷載標(biāo)準(zhǔn)組合結(jié)果

荷載標(biāo)準(zhǔn)組合工況對應(yīng)于正常使用極限狀態(tài)，主要考察目標(biāo)構(gòu)件的變形情況，見表5。

4.3.1梁1變形

梁1的變形結(jié)果如圖5所示，圖中可以看出梁1最大變形值較小，最大變形位置為梁中部。

表5　荷載標(biāo)準(zhǔn)組合工況下最大變形

4.3.2梁2變形

梁2的變形結(jié)果如圖5所示，圖中可以看出梁2最大變形值為60.2 mm，最大變形位置為梁懸臂端，與表6.2.3中計(jì)算結(jié)果61 mm相符。GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A中A.1.1的規(guī)定:樓(屋)蓋梁在永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的撓度值應(yīng)為l/250，l為受彎構(gòu)件的跨度(對懸臂梁為懸伸長度的2倍)。梁2長度8 106 mm，按上述規(guī)定計(jì)算所得撓度限值為61 mm，滿足要求。

圖5　標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下梁變形圖

4.3.3梁3變形

梁3的變形結(jié)果如圖5所示，圖中可以看出梁3最大變形值為178.9 mm，最大變形位置為梁懸臂端，與表6.2.3中計(jì)算結(jié)果180 mm相符。GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A中A.1.1的規(guī)定:樓(屋)蓋梁在永久和可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的撓度值應(yīng)為l/250，l為受彎構(gòu)件的跨度(對懸臂梁為懸伸長度的2倍)。梁2長度11.38 m，按上述規(guī)定計(jì)算所得撓度限值為88 mm，不滿足要求。

4.4施工荷載工況

為了保證施工過程的安全，本次分析對施工過程進(jìn)行了模擬。施工單位表示施工中最大的施工荷載為三個工人同時在一根懸挑梁上作業(yè)，現(xiàn)考慮每根懸挑梁梁端施加3 kN集中荷載。上述施工荷載與恒載進(jìn)行組合，不與屋面活載同時考慮。

4.4.1梁1應(yīng)力與變形

梁1的應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，圖中可以看出梁1最大應(yīng)力值為44.6 MPa，最大應(yīng)力位置為梁端，應(yīng)力比0.14，在安全范圍之內(nèi)。梁1的變形結(jié)果如圖6所示，圖中可以看出梁1最大變形值為2.43 mm，最大變形位置為梁中部。

4.4.2梁2應(yīng)力與變形

梁2的應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，圖中可以看出梁2最大應(yīng)力值為54.1 MPa，最大應(yīng)力位置為梁懸臂端，應(yīng)力比0.14，在安全范圍之內(nèi)。梁1的變形結(jié)果如圖6所示，圖中可以看出梁2最大變形值為54.7 mm，最大變形位置為梁懸臂端。

圖6　施工荷載作用下梁的應(yīng)力及變形圖

4.4.3梁3應(yīng)力與變形

梁3的應(yīng)力結(jié)果如圖6所示，圖中可以看出梁3最大應(yīng)力值為94.2 MPa，最大應(yīng)力位置為梁懸臂端，應(yīng)力比0.31，在安全范圍之內(nèi)。梁3的變形結(jié)果如圖6所示，圖中可以看出梁3最大變形值為146.4 mm，最大變形位置為梁懸臂端。

5　結(jié)語

根據(jù)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等相關(guān)資料，并采用PKPM，SAP2000，ANSYS等軟件進(jìn)行對比計(jì)算，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，結(jié)論如下:

1)原設(shè)計(jì)中桿件應(yīng)力設(shè)計(jì)滿足要求。

2)原設(shè)計(jì)懸挑部分有部分桿件變形驗(yàn)算不滿足GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中撓度限值要求，導(dǎo)致施工中出現(xiàn)變形過大，扭轉(zhuǎn)、彎曲變形。

3)應(yīng)對懸挑部分結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行加強(qiáng)或減小懸挑長度以滿足要求，施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制高空作業(yè)人數(shù)。

參考文獻(xiàn):

［1］GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［3］GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］王新敏.ansys工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

Analysis on construction accident causes of the extra-long cantilever structure

Pan Ning Chen Hui Liu Huaibin
( Sichuan Academy of Building Science，Chengdu 610081，China)

Abstract:Taking the project of large-span steel frame structure for example，according to the situation of reverse and bending occurs when cantilevered roof girder construction process，compare the original design PKPM model with the overall structure SAP2000 model，and using ANSYS stress analysis of the relevant member，comparison shows that the overall structure model is basically correct，stress of cantilevered beams meet material strength requirements，but overall deformation does not meet specifications.

Key words:accident member，model comparison，F(xiàn)EM，load，stress

作者簡介:潘寧(1989-)，男，助理工程師;陳輝(1988-)，女，助理工程師;劉懷斌(1988-)，男，助理工程師

收稿日期:2015-11-25

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0039-03

中圖分類號:TU375

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A