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門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝若干問(wèn)題探討

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時(shí)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(guó)現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝驗(yàn)收規(guī)范沒(méi)有充分考慮門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝技術(shù)特點(diǎn)，諸多不適宜的技術(shù)規(guī)定約束了門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展，如：薄腹板平面度的允許偏差值過(guò)嚴(yán)；端板與H型構(gòu)件翼緣之間焊縫規(guī)定采用全熔透對(duì)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(wèn)題。此外，對(duì)火焰烘烤矯正鋼構(gòu)件的負(fù)面影響作了探討。
    關(guān)鍵詞：腹板平面度 楔片 單面角焊縫 非全熔透坡口對(duì)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(guó)是九十年代初開(kāi)始涌現(xiàn)，在設(shè)計(jì)理念方面受美國(guó)等外資企業(yè)的影響，擺脫傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的習(xí)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(shù)規(guī)程》CECS102：98及新修訂的CECS102：2002版本，該技術(shù)規(guī)程對(duì)于推動(dòng)我國(guó)門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn)收方面，仍缺乏一本與之配套的技術(shù)規(guī)程。國(guó)家現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001是一本通用的鋼結(jié)構(gòu)工程施工驗(yàn)收規(guī)范，該技術(shù)規(guī)范適用于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝驗(yàn)收，對(duì)門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝技術(shù)特點(diǎn)關(guān)注不夠，由于輕鋼構(gòu)件輕巧細(xì)長(zhǎng)，制作變形控制比傳統(tǒng)鋼構(gòu)件要困難得多。隨著工程實(shí)踐的需要，2002年國(guó)家建設(shè)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)作為GB50205-2001的補(bǔ)充，增加了冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的制作驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、單面角焊縫的技術(shù)條件、放寬了對(duì)H型構(gòu)件薄腹板平面度的允許偏差等，對(duì)于輕鋼結(jié)構(gòu)的制作起了很好的促進(jìn)作用。上海市工程建設(shè)規(guī)范《輕型鋼結(jié)構(gòu)制作及安裝驗(yàn)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(shù)規(guī)程或傳統(tǒng)觀念不適宜、不到位而阻礙其應(yīng)用和發(fā)展的問(wèn)題。目前的情況是：在制作方面或是為滿足驗(yàn)收規(guī)程中的某些適宜于普鋼而不適宜輕鋼的技術(shù)條款放棄輕鋼設(shè)計(jì)改用傳統(tǒng)的普鋼設(shè)計(jì)，或是在驗(yàn)收時(shí)制作方與業(yè)主、監(jiān)理方發(fā)生難以解決的爭(zhēng)執(zhí)，例如對(duì)于薄腹板平面度的允許偏差（即波浪變形）的認(rèn)可問(wèn)題，尤為突出。在安裝方面，對(duì)于火焰烘烤矯正鋼構(gòu)件所帶來(lái)的負(fù)面影響不予注意，可能給工程造成隱患等問(wèn)題得不到控制。應(yīng)將門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念、制作工藝、安裝技術(shù)三者結(jié)合起來(lái)綜合考慮才能真正科學(xué)合理地解決好制作與安裝方面的問(wèn)題，使輕鋼結(jié)構(gòu)真正符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用之原則。
    一、關(guān)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(wèn)題就是如何控制制作過(guò)程中腹板波浪形鼓曲變形問(wèn)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(guò)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(shí)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(zhǎng)，在焊縫冷卻時(shí)，腹板邊緣纖維收縮，其纖維長(zhǎng)度將略短于非加熱區(qū)的中心帶纖維長(zhǎng)度，中心帶區(qū)域的略長(zhǎng)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(guò)在非焊接區(qū)與焊接同步加熱的非常規(guī)辦法達(dá)此目的，但如果腹板高厚比較大，在噴砂拋丸除銹時(shí)，仍會(huì)產(chǎn)生大的變形。一般來(lái)說(shuō)，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(shí)腹式H構(gòu)件的腹板在剪力作用下，總是有一對(duì)正交的主拉、主壓應(yīng)力場(chǎng)，主壓應(yīng)力超過(guò)臨界壓應(yīng)力時(shí)板件屈曲，主拉應(yīng)力場(chǎng)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(zhǎng)的橫向加勁肋之后，實(shí)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(jiàn)圖1所示，此時(shí)，腹板的屈曲對(duì)構(gòu)件的極限承載力影響大為減弱。有鑒于此，對(duì)薄腹板平面度的允許偏差驗(yàn)收規(guī)定是否仍按傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的較嚴(yán)格的規(guī)定值，值得探討?，F(xiàn)行GB50205-2001規(guī)范對(duì)腹板平面度的允許偏差規(guī)定之嚴(yán)格，使得薄腹板構(gòu)件不能得到應(yīng)用，JG144-2002在GB50205的基礎(chǔ)上參考美國(guó)的MBMA《Low Rise Building Systems Manual》，對(duì)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(yán)格。此外，MBMA關(guān)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(zhǎng)度范圍內(nèi)的鼓曲程度，見(jiàn)圖2(b)所示，顯然，當(dāng)腹板的變形波長(zhǎng)正好為2000mm時(shí)，則兩者定義的值是相同的，而變形波長(zhǎng)為1000mm時(shí)，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(yuǎn)，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(yàn)收較容易通過(guò)，而按JG144-2002的規(guī)定較難通過(guò)，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(shè)計(jì)。

    二、關(guān)于火焰矯正
    用火焰矯正變形構(gòu)件是一個(gè)常用的有效方法，主要問(wèn)題是，應(yīng)了解火焰矯正可能帶來(lái)的負(fù)面影響，否則有可能會(huì)造成一定的工程隱患。
    首先，應(yīng)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(huì)造成殘余應(yīng)力，且殘余應(yīng)力的分布總是在火焰烘烤的區(qū)域?yàn)闅堄嗬瓚?yīng)力而遠(yuǎn)離烘烤區(qū)域的為殘余壓余力。殘余拉、壓應(yīng)力總量相等相互平衡，雖然不會(huì)影響構(gòu)件的強(qiáng)度極限承載能力，但會(huì)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(jiǎn)支梁制作時(shí)下?lián)?，用火焰烘烤下翼緣區(qū)域?qū)⑵涑C正，下翼緣區(qū)域?qū)⒂休^大的殘余拉應(yīng)力，而上翼緣區(qū)域則有較大殘余壓應(yīng)力，與外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力迭加后局部區(qū)域提前進(jìn)入塑性，增加了下?lián)献冃危瘸C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(huì)有此負(fù)面影響。
    其次，應(yīng)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(yīng)力的反復(fù)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(guò)度脆性化。
    三、關(guān)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(jiǎn)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(huì)有偏差，見(jiàn)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(shí)從理論上說(shuō)，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(jiǎn)單方便，且無(wú)后遺癥，見(jiàn)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(rèn)為不允許現(xiàn)場(chǎng)加楔片，現(xiàn)場(chǎng)安裝人員只好采用火焰烘烤法，卻不知火焰烘烤的負(fù)面影響，有不少現(xiàn)場(chǎng)在已完成終擰的高強(qiáng)度螺栓連接處火焰烘烤，高強(qiáng)度螺栓的予拉力因此釋放，梁的下?lián)隙却蟠笤黾印?br />

    四、關(guān)于焊縫問(wèn)題
    鋼結(jié)構(gòu)的焊縫設(shè)計(jì)受過(guò)去傳統(tǒng)習(xí)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(shù)規(guī)定，但在某些地區(qū)的輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍禁止用單面角焊縫。事實(shí)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(méi)有問(wèn)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(jiàn)圖5所示，還需要有專門的矯正機(jī)矯正，顯然采用單面角焊縫具有極好的經(jīng)濟(jì)效益。采用單面角焊縫時(shí)，應(yīng)有夾緊裝置使翼緣與腹板密貼，否則縫隙過(guò)大對(duì)抗腐蝕不利。當(dāng)然，當(dāng)焊縫受有拉力時(shí)，例如牛腿處和梁?柱剛接處的柱翼緣與腹板之間焊縫，應(yīng)局部采用雙面角焊縫加強(qiáng)。

    另一個(gè)問(wèn)題是端板與構(gòu)件翼緣之間的焊縫，按照CECS102應(yīng)采用全熔透對(duì)接焊縫，事實(shí)上，文獻(xiàn)[2]的研究已表明采用普通的非全熔透角焊縫或坡口對(duì)接與角接組合焊縫完全可以滿足焊縫與翼緣等強(qiáng)度條件，該研究所做30個(gè)試件無(wú)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(duì)接焊縫大大簡(jiǎn)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(guān)于端板面的抗滑移系數(shù)
    摩擦型高強(qiáng)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(diǎn)的承載能力，但對(duì)于端板式連接，高強(qiáng)度螺栓主要是受拉，剪力小，不控制設(shè)計(jì)[3]，因此對(duì)其接觸面的抗滑移系數(shù)不必限制很嚴(yán)，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(xiàn)[4]建議端板面抗滑移系數(shù)取0.15。
    六、關(guān)于柱底板抗剪鍵
    《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)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(fēng)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(fēng)吸力作用下柱底都無(wú)摩擦力用于抗水平剪力，都必須設(shè)抗剪鍵，因設(shè)置抗剪鍵就必須在混凝土基礎(chǔ)上留有抗剪鍵槽，給施工安裝帶來(lái)極大不便。事實(shí)上，柱子底部一般設(shè)有4個(gè)及以上錨栓對(duì)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(fēng)吸力作用下，有2個(gè)錨栓（設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮好）足以抗拔風(fēng)力，剩余的錨栓承載力可用于抗水平剪力。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為鉸接柱應(yīng)考慮施工安裝的需要及火災(zāi)情況，需要柱底有一定的嵌固度，設(shè)置4個(gè)錨栓，水平抗剪鍵可以取消，文獻(xiàn)[6]對(duì)錨栓承載力進(jìn)行了研究，也主張錨栓可以參與抗剪。新版本的《工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)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(shè)計(jì)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(chǔ)交接的細(xì)部構(gòu)造，利用錨栓抗剪是沒(méi)有問(wèn)題的[6]，但習(xí)慣觀念一時(shí)不易改變，推廣應(yīng)用仍有困難。
    小結(jié)：
    我國(guó)現(xiàn)行輕鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝的驗(yàn)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(yīng)用和發(fā)展，需將新的設(shè)計(jì)理念、制作工藝與安裝技術(shù)三方面結(jié)合綜合考慮，才能形成一個(gè)更為完善的、更先進(jìn)合理的門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范體系以適應(yīng)輕鋼結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。
    參考文獻(xiàn)
    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(jì)大學(xué)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(diǎn)性能試驗(yàn)研究報(bào)告，TJCE-CE-2004-07；
    3．陳友泉，高強(qiáng)度螺栓連接的應(yīng)用問(wèn)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(cè)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(shù)、吳光美，鋼柱腳錨栓設(shè)計(jì)方法，建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2005，7（1）。
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