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門(mén)式剛架輕鋼結構制作與安裝若干問(wèn)題探討

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

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

    前言
    門(mén)式剛架輕鋼結構在我國是九十年代初開(kāi)始涌現，在設計理念方面受美國等外資企業(yè)的影響，擺脫傳統鋼結構設計的習慣做法，有很多創(chuàng )新之處，隨之有了《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結構技術(shù)規程》CECS102：98及新修訂的CECS102：2002版本，該技術(shù)規程對于推動(dòng)我國門(mén)式剛架輕鋼結構設計創(chuàng )新和發(fā)展起了非常重要的作用，然而在門(mén)式剛架輕鋼結構制作與安裝驗收方面，仍缺乏一本與之配套的技術(shù)規程。國家現行《鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規范》GB50205-2001是一本通用的鋼結構工程施工驗收規范，該技術(shù)規范適用于傳統鋼結構的制作與安裝驗收，對門(mén)式剛架輕鋼結構的制作與安裝技術(shù)特點(diǎn)關(guān)注不夠，由于輕鋼構件輕巧細長(cháng)，制作變形控制比傳統鋼構件要困難得多。隨著(zhù)工程實(shí)踐的需要，2002年國家建設部頒布了《門(mén)式剛架輕型房屋鋼構件》JG144-2002，規定了門(mén)式剛架輕鋼構件的制作驗收標準，該標準作為GB50205-2001的補充，增加了冷彎薄壁型鋼構件的制作驗收標準、單面角焊縫的技術(shù)條件、放寬了對H型構件薄腹板平面度的允許偏差等，對于輕鋼結構的制作起了很好的促進(jìn)作用。上海市工程建設規范《輕型鋼結構制作及安裝驗收規程》DG/TJ08-010-2001，也做了類(lèi)似上述的工作。
    盡管如此，但輕鋼結構在制作、安裝方面仍存在有因其技術(shù)規程或傳統觀(guān)念不適宜、不到位而阻礙其應用和發(fā)展的問(wèn)題。目前的情況是：在制作方面或是為滿(mǎn)足驗收規程中的某些適宜于普鋼而不適宜輕鋼的技術(shù)條款放棄輕鋼設計改用傳統的普鋼設計，或是在驗收時(shí)制作方與業(yè)主、監理方發(fā)生難以解決的爭執，例如對于薄腹板平面度的允許偏差（即波浪變形）的認可問(wèn)題，尤為突出。在安裝方面，對于火焰烘烤矯正鋼構件所帶來(lái)的負面影響不予注意，可能給工程造成隱患等問(wèn)題得不到控制。應將門(mén)式剛架輕鋼結構的設計理念、制作工藝、安裝技術(shù)三者結合起來(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，使輕鋼結構真正符合技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理、安全適用之原則。
    一、關(guān)于H型構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，輕鋼結構的屋蓋梁和柱子主要采用H型構件，H型構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，縱向受非加熱區約束難有伸長(cháng)，在焊縫冷卻時(shí)，腹板邊緣纖維收縮，其纖維長(cháng)度將略短于非加熱區的中心帶纖維長(cháng)度，中心帶區域的略長(cháng)之纖維體現為波浪形鼓曲變形，如欲消除或減少此變形可通過(guò)在非焊接區與焊接同步加熱的非常規辦法達此目的，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)，為節省用鋼量，H型構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(chǎng)，主壓應力超過(guò)臨界壓應力時(shí)板件屈曲，主拉應力場(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(cháng)的橫向加勁肋之后，實(shí)腹式H構件可轉化成類(lèi)似空腹式桁架的結構型式，見(jiàn)圖1所示，此時(shí)，腹板的屈曲對構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定是否仍按傳統鋼結構的較嚴格的規定值，值得探討?，F行GB50205-2001規范對腹板平面度的允許偏差規定之嚴格，使得薄腹板構件不能得到應用，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的情況規定其平面度的允許偏差為h/100，比MBMA規定的h/72嚴格。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(cháng)度范圍內的鼓曲程度，見(jiàn)圖2(b)所示，顯然，當腹板的變形波長(cháng)正好為2000mm時(shí)，則兩者定義的值是相同的，而變形波長(cháng)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，以此衡量構件的屈曲承載能力符合薄板穩定理論，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)。目前輕鋼構件的加工水平，若按照MBMA的規定驗收較容易通過(guò)，而按JG144-2002的規定較難通過(guò)，按GB50205的規定則不能用薄腹板制作，得改用傳統厚腹板設計。

    二、關(guān)于火焰矯正
    用火焰矯正變形構件是一個(gè)常用的有效方法，主要問(wèn)題是，應了解火焰矯正可能帶來(lái)的負面影響，否則有可能會(huì )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(huì )造成殘余應力，且殘余應力的分布總是在火焰烘烤的區域為殘余拉應力而遠離烘烤區域的為殘余壓余力。殘余拉、壓應力總量相等相互平衡，雖然不會(huì )影響構件的強度極限承載能力，但會(huì )影響構件的剛度，增加構件的變形降低其穩定承載能力。例如，一根簡(jiǎn)支梁制作時(shí)下?lián)?，用火焰烘烤下翼緣區域將其矯正，下翼緣區域將有較大的殘余拉應力，而上翼緣區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域提前進(jìn)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向彎曲則不會(huì )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(guò)度脆性化。
    三、關(guān)于加楔片調整屋蓋梁平直度
    門(mén)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JG144-2002其允許傾斜度最大為H/300，最不利

    情況是兩相連構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，很多施工監理工程師據此認為不允許現場(chǎng)加楔片，現場(chǎng)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，有不少現場(chǎng)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(guān)于焊縫問(wèn)題
    鋼結構的焊縫設計受過(guò)去傳統習慣影響，T型連接一般都采用雙面角焊縫且焊縫尺寸偏大，盡管CECS102規程已有具體的單面角焊縫技術(shù)規定，但在某些地區的輕鋼結構設計仍禁止用單面角焊縫。事實(shí)上，H型構件的腹板與翼緣之間焊縫僅承受少量剪力，屬于構造焊縫，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，二是加大構件的變形，尤其是翼緣出現沿腹板的縱向彎折，見(jiàn)圖5所示，還需要有專(zhuān)門(mén)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(shí)，應有夾緊裝置使翼緣與腹板密貼，否則縫隙過(guò)大對抗腐蝕不利。當然，當焊縫受有拉力時(shí)，例如牛腿處和梁?柱剛接處的柱翼緣與腹板之間焊縫，應局部采用雙面角焊縫加強。

    另一個(gè)問(wèn)題是端板與構件翼緣之間的焊縫，按照CECS102應采用全熔透對接焊縫，事實(shí)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(mǎn)足焊縫與翼緣等強度條件，該研究所做30個(gè)試件無(wú)一例出現焊縫破壞。采用普通非全熔透焊縫比采用全熔透對接焊縫大大簡(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
    摩擦型高強度螺栓連接的板之接觸面抗滑移系數直接決定了節點(diǎn)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不必限制很?chē)?，CECS102規定的0.3系數偏高，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在0.2~0.3之間[4]，文獻[4]建議端板面抗滑移系數取0.15。
    六、關(guān)于柱底板抗剪鍵
    《工程建設標準強制性條文》2000版規定錨栓不能抗水平剪力，輕鋼結構屋面材料輕，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(mén)式輕型房屋鋼結構在風(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(lái)極大不便。事實(shí)上，柱子底部一般設有4個(gè)及以上錨栓對稱(chēng)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（設計時(shí)應考慮好）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[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(gè)錨栓，水平抗剪鍵可以取消，文獻[6]對錨栓承載力進(jìn)行了研究，也主張錨栓可以參與抗剪。新版本的《工程建設標準強制性條文》已刪除了錨栓不能抗剪的條文，新版《鋼結構設計規范》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造，利用錨栓抗剪是沒(méi)有問(wèn)題的[6]，但習慣觀(guān)念一時(shí)不易改變，推廣應用仍有困難。
    小結：
    我國現行輕鋼結構制作與安裝的驗收規范中有諸多不適宜規定，制約了輕鋼結構的應用和發(fā)展，需將新的設計理念、制作工藝與安裝技術(shù)三方面結合綜合考慮，才能形成一個(gè)更為完善的、更先進(jìn)合理的門(mén)式剛架輕鋼結構技術(shù)規范體系以適應輕鋼結構的不斷發(fā)展。
    參考文獻
    1．陳以一等，單面角焊縫連接的H形鋼構件抗剪極限承載力，建筑結構，2002，32（9）；
    2．同濟大學(xué)建筑工程系鋼結構研究室等，輕型門(mén)式剛架H型鋼構件翼緣與端板非全熔透焊縫連接的節點(diǎn)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(wèn)題探討，鋼結構，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測定，建筑結構，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，鋼柱腳錨栓設計方法，建筑鋼結構進(jìn)展，2005，7（1）。
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