門式輕鋼結構檢測鑒定中幾個問題的探討

李新泰 王合乾 焦 平

(1.山東省建筑科學研究院，山東 濟南 250031;2.煙臺市地震局，山東煙臺 264000)

0 引言

門式剛架輕型房屋鋼結構是單層工業廠房中常見的結構形式，這類結構以其用鋼量少、重量輕、造價低、施工速度快、適用范圍廣等優點獲得了廣泛應用。由于對輕鋼結構的不熟悉和使用不當，使工程的安全度降低、存在結構安全隱患，本文根據現場檢測鑒定過程中遇到的問題，提出認識和建議。

1 平面結構體系現場判定

輕鋼結構事故發生的原因體現在設計方面，主要表現在:設計中存在一系列不符合設計規范和規程的技術錯誤，主要包括計算簡圖的選取和實際情況不符，支撐系統的設置不符合規范要求，構造措施不符合規范要求和加工制作方面的缺陷。

門式剛架結構一般為有多余約束結構體系，對于無設計圖紙及其他資料的工程，在現場檢查過程中，可根據結構力學二元體規則(即將二元體的兩端鉸與任意體系相連，不改變原體系的自由度。顯然，從任意體系上拆除一個二元體也不改變原體系的自由度。在任意體系上依次增加，或依次拆除二元體，原體系的自由度數不變)和拆除約束法(對于有多余約束的幾何不變體系，可以用去掉約束的方法，使體系成為無多余約束的幾何不變體系，所去掉的約束數就是原體系所具有的多余約束數)，對復雜結構或采用格構式構件的輕鋼結構快速判斷結構體系是否為幾何可變體系或幾何不變體系[1]。

在運用規則過程中，首先應對鋼節點性質進行判定。如圖1所示為門式剛架斜梁與柱常見的連接形式[2]，加勁肋、節點域、端板及螺栓布置等還需滿足相應的構造要求，圖2中柱頂端板橫放，兩側均與斜梁通過4M20螺栓連接，兩側梁端中間作為排水溝，無法形成節點域，且梁柱節點無法作為剛性連接;圖3為梁端與柱側焊接的支撐板通過焊接連接，梁中心線與支撐板中心線沒有對齊，無法形成節點域，無法作為梁柱剛性節點，均視為鉸接。由于柱腳為兩對螺栓的鉸接柱腳，該結構體系為幾何可變體系。應對節點進行處理以滿足剛性節點(實際端板連接并非完全剛性連接)要求，圖2的連接處理方式應考慮排水的要求，避免后續積水對房屋使用造成影響。

端板連接節點需要靠端板的緊密結合和高強螺栓的正常工作。現場檢查過程中，發現高強螺栓終擰扭矩、螺栓絲扣外露扣數不滿足GB 50205-2001鋼結構工程施工質量驗收規范的要求、端板之間存在空隙等情況，由此造成的問題是剛架無法形成剛性節點，平面內剛度降低，對結構的受力和正常使用造成影響。檢測過程中，有必要檢查高強螺栓終擰扭矩。對于終擰扭矩滿足要求而螺栓絲扣外露扣數不滿足要求的，可能由于端板厚度根據規程確定[2]，由于焊接后板件變形使得端板留有縫隙、涂層、制作誤差所致，且端板連接主要技術關鍵是保證高強螺栓的預拉力從而保證節點剛度，對于螺栓絲扣外露扣數要求可放寬。

圖1 門式剛架斜梁與柱的連接

圖2 梁柱節點無法形成節點域，非剛性節點

圖3 梁端與柱端端板連接，非剛性節點

2 端板連接節點形式

剛架構件的端板連接需要符合強連接弱構件的原則，端板連接僅可以按照受到的最大內力設計(使用階段為剛性連接，而在罕遇地震作用下處于彈塑性工作狀態為半剛性連接，連接變形利于地震能量的吸收)，考慮抗震的剛節點要求要低(對構件連接應進行兩階段設計，首先是按照構件承載力進行連接的彈性承載力設計，最后是進行連接的極限承載力設計[3])，當節點域厚度不滿足規范要求時，應加厚腹板或設置斜加勁肋。腹板加厚可按GB 50011-2010建筑抗震設計規范的8.3.5條文說明的要求施工，當確有困難或采用軋制型鋼時，可采用節點域貼焊補強板加強，但對于已經投入使用的結構，節點補強由于受到施工空間(如系桿與節點域焊接的端板連接，吊頂等)和使用條件的限制變得比較困難，也可考慮增加梁端高度(加腋)或改成楔形梁來增大節點域體積(同時需要增加節點區加勁肋)。

3 空間整體穩定及蒙皮效應

門式剛架為平面受力結構體系，平面外的荷載需要靠各種支撐體系解決。屋面橫向水平支撐和柱間支撐用以解決平面外荷載、剛度和穩定問題。由于輕型門式剛架結構的屋面和墻面圍護板具有一定的蒙皮效應，使得鋼結構體系具有一定的空間效果。但蒙皮效應發揮的作用由于屋面板連接、開洞和構造等方面的原因，不宜定量考慮。

在現場檢測過程中，剛架平面外的剛度和穩定問題主要根據剛架的側向位移、系桿和支撐的端部連接構造等得以體現。圖4，圖5是某廠房由于未設置屋面支撐和柱間支撐，檁托處螺栓缺失，造成平面外剛度較弱，根據對剛架柱垂直度的抽查，實測垂直度偏差遠超垂直度允許偏差。該工程應在加設屋面支撐和柱間支撐的同時考慮糾偏剛架，以形成空間穩定的結構體系。在糾偏過程中應注意根據現場條件和施工圖要求，制定施工組織設計，安排好安裝順序，施工中及時注意剛架固定，避免發生事故。

圖4 某廠房屋面布置

圖5 某廠房檁條與檁托未連接

4 連續檁條的選取

由于不少工程采用連續斜卷邊Z形鋼檁條，認為連續檁條比簡支檁條可減少最大彎矩20%左右，撓度大為減少，獲得了較好的經濟效益，連續檁條在鋼梁處連續，搭接長度需要滿足設計要求，螺栓孔對位對加工制作及施工要求較高，在搭接嵌套處存在一定的松動滑移，支座處有部分彎矩轉移至跨中，在支座處為雙截面，具有雙倍于跨中單檁條的承載能力，控制設計為跨中的截面[4]。由于連續檁條支座為負彎矩，下翼緣受壓，屋面板和拉條位于上翼緣附近，對下翼緣的約束作用減少，應加強支座處屋面板與檁條的約束作用，使支座處檁條與具有蒙皮效應的屋面板形成約束，并增設位于下翼緣附近的拉條，可改善檁條的受壓性能。在現場檢測過程中，存在搭接長度的不足、搭接端螺栓的缺失的情況(如圖6所示)，形成連續檁條的剛度條件太弱。

5 超規范荷載和結構安全

門式剛架輕型房屋沒有更多承載能力富余量去對付超標準的荷載效應，應關注風、雪荷載效應問題。如關注風吸力作用下構件及連接的性能、高低不平處堆積雪造成檁條壓垮引起剛架失穩倒塌等情況。

在利用PKPM軟件STS模塊進行門式剛架二維設計過程中，雪荷載沒有得到反映，在檁條設計中得到體現[4]。當采用壓型鋼板輕型屋面時[2]，屋面豎向均布活荷載的標準值(按水平投影面積計算)應取0.5 kN/m2。注:對受荷水平投影面積大于60 m2剛架構件，屋面豎向均布活荷載的標準值可取不小于0.3 kN/m2。由于輕鋼結構對雪荷載比較敏感，大雪壓垮輕鋼廠房例子較多，應充分考慮雪荷載對剛架尤其是檁條的荷載效應。一旦出現較大的雪荷載就會危及結構的安全(多數是局部檁條承擔的荷載超過設計值，檁條壓垮屋蓋梁失去側向支撐作用，失去整體屋面蒙皮效應而導致整體剛架倒塌[5])。從安全角度考慮，對雪荷載較大的地區，應考慮后續施工、惡劣天氣的影響，應增加結構的安全儲備，而不是一味追求經濟效益。對于可能積雪的位置局部加強設計(檁條加密、加強檁條與屋面板的連接等)，同時考慮屋面雪荷載不均勻分布。

在較大風吸力作用下(如臺風)屋蓋被掀起的事故常有發生，在施工過程中較大的風載也會對安全形成威脅，也會給后續的剛架糾偏等工作造成困難。在風吸力作用下，屋面檁條的下翼緣受壓，如屋面檁條下翼緣無加勁肋和側向支撐，致使檁條發生失穩破壞。在設計過程中，應注意到GB 50009-2001建筑結構荷載規范(2006版)整體計算時不考慮風振系數和陣風系數，臺風的脈動效應產生的瞬時風壓較基本風壓大，導致風荷載設計偏小。對于圍護結構的計算應根據文獻[2]相關規定確定。對于實腹式檁條在風吸力作用是穩定計算時拉條的設置位置，存在兩種觀點[6]:1)拉條宜在檁條的上、下翼緣附近適當布置;2)僅在檁條的上翼緣附近設置拉條，下翼緣受壓時可通過穩定計算滿足。作者認為應增加冗余約束，布置備用的傳力途徑，下翼緣受壓時通過穩定計算，翼緣附近適當布置拉條可作為安全儲備(如圖7所示)。對于較大風載下柱腳螺栓被拔起導致房屋倒塌的情況，應注意柱腳錨栓的抗拔力計算和設計。

圖6 連續檁條搭接長度不足，螺栓缺失

圖7 下部拉條作為安全儲備

對于無多余承載能力的門式剛架輕鋼結構，應增加安全儲備，并針對超規范荷載采取有效措施，避免由于屋面次結構失效引起結構的連續倒塌。

6 結語

1)端板連接節點需要靠端板的緊密結合和高強螺栓的正常工作，否則無法形成剛性節點，影響結構強度的發揮、剛度的形成。需要加強節點時，要考慮加強施工空間和使用情況。2)現場檢測鑒定過程中，應加強細部構造的檢查。3)蒙皮效應不宜定量考慮，空間結構的形成需要考慮各種支撐體系解決。4)不應一味追求經濟效益，應增加結構安全度，抵抗超規范荷載，避免結構連續倒塌。

[1] 馭 球，包世華.結構力學教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社，2000:22-28.

[2] CECS 102∶2002，門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程[S].

[3] 朱炳寅.建筑抗震設計規范應用與分析[M].北京:中國建筑工業出版社，2011:423-424.

[4] 鋼結構CAD軟件STS用戶手冊(2010版)[M].北京:中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，2011:90-92.

[5] 陳友泉，魏潮文.門式剛架輕型房屋鋼結構設計與施工疑難問題釋義[M].北京:中國建筑工業出版社，2009:91-92，155.

[6] 汪一駿.輕型鋼結構設計指南(實例與圖集)[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社，2006:305.