高層裝配式鋼框架柱垂直度偏差影響分析與處理

任 彧 林禎杉 吳雨君 顏建填

(1.福建建工裝配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001;2.福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，我國民用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)得到更加廣泛的應(yīng)用，但是受到產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的限制，施工單位技術(shù)水平良莠不齊，施工安裝偏差超過規(guī)范限值的情況屢有發(fā)生。近年來，在鋼框架柱垂直度偏差領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者開展了系列研究。劉文政等[1]對已建成的多層鋼框架結(jié)構(gòu)柱身垂直度偏差影響分析的結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)整體性能影響小，部分豎向構(gòu)件作用效應(yīng)增加，但仍可達到規(guī)范要求。易方民等[2]利用SATWE和ETABS分析了某超高層鋼結(jié)構(gòu)柱垂直度偏差的影響，結(jié)果表明，對整體結(jié)構(gòu)與構(gòu)件承載力的影響均較小。楊德洪等[3]結(jié)合某超高層鋼結(jié)構(gòu)，比較了一次性糾偏與漸遞性糾偏兩種方案，最后采用一次性糾偏方案，取得了良好的效果。

本文擬利用有限元方法，對出現(xiàn)框架柱垂直度大偏差的某高層鋼框架結(jié)構(gòu)的各項性能指標(biāo)進行分析，并提出一種兼具安全性和經(jīng)濟性的節(jié)點加強措施，可靠地實施了主體結(jié)構(gòu)一次性糾偏。

1 工程概況

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型

某醫(yī)療工程為地下1層，地上9層的鋼框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度37.95 m。地下室層高6 m，首層層高5.4 m，二、三層層高均為4.5 m，其他層層高均為3.9 m，如圖1所示。主要設(shè)計參數(shù)如下：抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，特征周期0.35 s，阻尼比0.04?；撅L(fēng)壓0.35 kN/m2，場地粗糙度類別為B類。

該工程在二層樓承板混凝土澆筑完成后，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)比例的鋼柱垂直度偏差顯著超出規(guī)范限值。隨后進行的沉降觀測和現(xiàn)場踏勘結(jié)果顯示，不存在地基基礎(chǔ)不均勻沉降，主體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)開裂、變形等現(xiàn)象。據(jù)此，可以初步判斷，鋼柱傾斜是由于鋼結(jié)構(gòu)施工未遵循現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求。

鑒于問題發(fā)現(xiàn)的較為及時，且現(xiàn)場具備進行整改的物資條件，綜合考慮安全、工期和成本等因素，參建各方?jīng)Q定在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過糾偏與加固的方式，對鋼框架柱垂直度偏差問題進行處理。

2 柱垂直度偏差情況

設(shè)計團隊對現(xiàn)場提供的垂直度偏差實測值，運用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)進行了分析，對偏差的空間分布和數(shù)值分布進行了研判。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB20205[4]的相關(guān)規(guī)定，鋼柱垂直度偏差限值為10 mm。二層鋼柱頂部偏差值分布如圖2所示，可以看出：(1)鋼柱偏差值超過規(guī)范限值的數(shù)量比例，X向為49%，Y向為66%；(2)X向、Y向的超限部分偏差值主要集中30 mm～60 mm區(qū)間；(3)Y向整體偏差大于X向，X向柱最大偏差值為75 mm ；Y向柱最大偏差值為90 mm。

(a)X向偏差值 (b)Y向偏差值

(c)總體偏差平面分布

3 鋼柱垂直度偏差影響分析

3.1 對結(jié)構(gòu)整體的影響分析

該項目采用YJK軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，為復(fù)核鋼柱垂直度偏差影響，以節(jié)點偏移方式，按偏差實測值輸入計算模型。暫按一次性糾偏方案進行其他樓層的坐標(biāo)修正。由于本工程鋼結(jié)構(gòu)加工方案中單節(jié)框架柱為兩層高，偏移模型中坐標(biāo)偏移值在二層樓面處最大，在四層樓面及以上位置恢復(fù)正常，在一層及三層處按層高進行線性插值。

表1為結(jié)構(gòu)自振周期對比，以及1.0D+1.0L組合下的屈曲模態(tài)分析對比。對比結(jié)果顯示：部分樓層框架柱傾斜，使得結(jié)構(gòu)的自振周期略有縮短，但最大變化率僅1.3%，結(jié)構(gòu)的整體振動特性未發(fā)生明顯改變；屈曲因子減小的最大率為0.5%，整體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能未發(fā)生明顯變化。

此外，YJK構(gòu)件驗算結(jié)果顯示：斜柱模型的構(gòu)件應(yīng)力未出現(xiàn)顯著增加，鋼框柱最大應(yīng)力比為0.80，鋼框梁最大應(yīng)力比為0.84，構(gòu)件承載力均符合規(guī)范要求。

表1 YJK結(jié)構(gòu)自振周期、屈曲因子對比

3.2 對構(gòu)件的影響分析

重力荷載作用下，鋼柱垂直度偏差將使柱在重力荷載下產(chǎn)生附加彎矩ΔM，如圖3所示。以偏差最大的5軸框架為例，使用SAP2000程序進行內(nèi)力分析(考慮P-Δ二階效應(yīng))，四層以下受鋼柱傾斜影響較大區(qū)域的框架梁柱的彎矩和應(yīng)力比改變率如圖4～圖5所示，從圖中可以看出：

(1)柱端彎矩變化率相對較大(最大為160%)，但應(yīng)力比變化率較小，不超過9%；

(2)梁端彎矩變化率和應(yīng)力比變化率均在20%以內(nèi)。

圖3 鋼柱垂直度偏差引起附加彎矩

(a)柱端彎矩變化 (b)梁彎矩變化

(a)柱應(yīng)力比變化 (b)梁應(yīng)力比變化

構(gòu)件應(yīng)力詳細檢查結(jié)果顯示：由于底部樓層鋼柱為小偏壓構(gòu)件，其應(yīng)力比主要由軸力控制(約占90%)，垂直度偏差引起的附加彎矩對鋼柱的承載力影響并不顯著?？蚣芰河捎趨⑴c了偏心附加彎矩的內(nèi)力分配，因此，框架梁的應(yīng)力比略有放大。原始設(shè)計中鋼框架柱的應(yīng)力比<0.75，鋼框梁的應(yīng)力比<0.8，且鋼框梁應(yīng)力比變化幅度最大的位置，鋼梁的原始應(yīng)力相對較小。因此，在考慮偏心附加彎矩的情況下，結(jié)構(gòu)有足夠的安全度。

3.3 對結(jié)構(gòu)抗震延性的影響分析

使用SAP2000軟件，對鋼框架進行靜力彈塑性Pushover分析,如圖6～圖7所示。鋼框架鉸均采用FEMA356的自動鉸，其中鋼柱鉸為P-M2-M3鉸，鋼框梁為M3鉸，鉸屬性指定的相對距離均采用距起始端0.1和0.9。以G=D+0.5L作為非線性Pushover工況的初始條件，采用模態(tài)1施加側(cè)向荷載，荷載施加控制方式為監(jiān)測位移控制，頂點位移加載到總高度的0.04倍。罕遇地震的阻尼比取0.05，特征周期取0.40 s。

計算結(jié)果顯示：對于考慮垂直度偏差的傾斜模型，塑性鉸先出現(xiàn)在梁上，且在梁鉸充分發(fā)展后出現(xiàn)柱鉸。在糾偏處理后，框架結(jié)構(gòu)整體性和屈服機制沒有明顯改變，塑性發(fā)展仍符合預(yù)期，滿足“強柱弱梁”的結(jié)構(gòu)設(shè)計原則。鋼框架能力譜與罕遇地震需求譜相交的性能點為Sa=116 mm，Sd=136g(g=9.8 N/mm2)，對應(yīng)頂點位移為210 mm，層間位移角H/180，遠小于罕遇地震下層間位移角H/50的限值。

(a)初期 (b)中期 (c)后期

圖7 能力譜與需求譜曲線

4 節(jié)點加強措施

YJK與SAP2000的分析結(jié)果均表明，采用一次性糾偏方案的結(jié)構(gòu)的受力性能，與原結(jié)構(gòu)在整體性能上基本一致，在構(gòu)件層次上符合現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，具有技術(shù)可行性。為進一步提高節(jié)點的整體性，保證偏心附加彎矩作用下的有效傳力，對垂直度偏差超出規(guī)范限值的樓層框架節(jié)點均按圖8進行加強。該補強構(gòu)造可明顯提高節(jié)點和梁端抗彎承載力，對建筑功能影響小，實施方便、具有較好的工藝性。

圖8 梁端加固大樣

本文利用鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點有限元分析軟件IDEA對加強節(jié)點進行了分析。IDEA可以進行節(jié)點強度分析、節(jié)點剛度分析、構(gòu)件能力設(shè)計、節(jié)點設(shè)計抗力、穩(wěn)定分析等，目前已經(jīng)在國際上廣泛應(yīng)用于復(fù)雜節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究。

梁柱節(jié)點分析以鋼柱為支承構(gòu)件，鋼梁牛腿為加載構(gòu)件，在梁端施加荷載。材料參數(shù)如下：鋼材強度等級Q345B，焊條材料E50。通過M-φ曲線計算相鄰構(gòu)件在節(jié)點處的連接剛度，進而判斷該節(jié)點是鉸接、半剛接或剛接。通過迭代加載的方式，分析節(jié)點的最大承載能力。

應(yīng)用IDEA軟件，對加強前后的節(jié)點進行建模分析，如圖9所示。結(jié)果顯示：加固后梁端極限抗彎承載力提高約15%，且梁柱節(jié)點核心區(qū)未進入屈服狀態(tài)。由M-φ相關(guān)曲線(圖10)可發(fā)現(xiàn)，節(jié)點加固前后均達到剛接條件，加固后的節(jié)點剛度明顯提高，梁端的節(jié)點剛域擴大，整體性和可靠性均顯著提高。

(a)梁端加固前 (b)梁端加固后

圖10 梁端M-φ相關(guān)曲線

5 糾偏技術(shù)措施

為確保糾偏工作的順利實施，設(shè)計施工團隊制定了詳細的糾偏專項施工方案。主要步驟包括：(1)復(fù)測鋼柱偏位值，獲得準確的實際偏差；(2)根據(jù)實際情況建立糾偏深化模型，并調(diào)整構(gòu)件加工；(3)鋼框架安裝時，以中間位置為初始核心框架，準確安裝固定后，再向外延伸；(4)觀測鋼柱偏位無誤后，進行梁柱節(jié)點焊接；(5)焊接完成后再次復(fù)測偏位，并按一級焊縫進行100%探傷；(6)鋼框架全部安裝完成后，再進行次梁、樓承板施工。

其中，核心框架安裝次序如圖11所示。先后固定4個鋼柱及相應(yīng)鋼框梁，通過調(diào)節(jié)工裝，調(diào)整鋼柱垂直度，如圖12所示。利用平面拉桿、柱支撐進一步固定后，再向外延伸安裝。為減少誤差累計影響，共設(shè)置3組核心框架，進行分區(qū)域安裝。

施工團隊嚴格按照糾偏方案，在四層樓面位置完成一次性糾偏。復(fù)測結(jié)果顯示，所有鋼柱最終偏位均小于10 mm，糾偏效果良好。此外，檢測單位提供的焊縫外觀及探傷結(jié)果顯示，焊縫也均符合規(guī)范要求。目前本項目主體結(jié)構(gòu)已通過驗收，后續(xù)觀測結(jié)果均未出現(xiàn)異常。

圖11 核心鋼框架安裝示意 圖12 鋼柱側(cè)向支撐示意

6 結(jié)語

本文對存在框架柱垂直度大偏差的某高層鋼框架結(jié)構(gòu)進行了多維度的分析，結(jié)果表明：

(1)當(dāng)局部樓層框架柱整體發(fā)生傾斜時，如其上部樓層的框架柱定位已恢復(fù)至規(guī)范偏差后，主體結(jié)構(gòu)的整體振動特性和整體穩(wěn)定性變化很??；

(2)整體傾斜樓層的框架梁柱應(yīng)力比略有上升，需要謹慎地進行復(fù)驗；

(3)在確保構(gòu)件性能的前提下，局部傾斜框架在罕遇地震下的性能指標(biāo)影響不大；

(4)建議對整體傾斜樓層的梁柱節(jié)點進行補強，增強整體性。