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

(四川省建筑科學研究院，四川成都610081)

摘要:以某大跨鋼框架結(jié)構(gòu)項目為例，針對該項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PKPM模型與SAP2000模型進行整體結(jié)構(gòu)對比驗算，并運用ANSYS對相關(guān)構(gòu)件進行應(yīng)力分析，對比分析表明，結(jié)構(gòu)整體計算基本正確，懸挑梁的應(yīng)力滿足材料強度要求，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

該項目抗震設(shè)防烈度為7度，屬于重點設(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)計存在的問題

圖1　現(xiàn)場工程施工圖

1)原設(shè)計中基本風壓取值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，該項目應(yīng)取0.3 kN/m2;計算書風荷載信息中: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)計算周期不一致; 2)原設(shè)計中阻尼比取值為0.05，根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，該項目為鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)取0.04; 3)原設(shè)計模型按平面屋頂計算，未按實際坡度建模。

2.2 SAP2000模型計算條件

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

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

2.3整體模型校核

原設(shè)計采用PKPM軟件進行計算，未考慮實際坡度。為了校核原設(shè)計，采用三維計算分析軟件SAP2000進行建模分析，并考慮屋面坡度，其計算模型更接近真實設(shè)計結(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，我真替他擔心，如果你還有人性，希望你能可憐可憐他對你的一片真情。”他表露出了無助無奈的一面，留下地址，然后離開了。

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

根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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

為了進一步驗證事故結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果，采用有限元程序ANSYS進行了事故構(gòu)件局部計算校核，具體分析如下。

4.1計算模型

計算模型如圖4所示，計算選取了部分懸挑結(jié)構(gòu)作為計算單元，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)，為便于表達將目標構(gòu)件進行編號示于圖中，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)件位移計算值及限值對比

圖3　懸挑構(gòu)件編號圖

圖4　計算模型

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

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)計中的恒載標準值0.3 kN/m2與屋面活載標準值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。

模型計算工況為: 1)荷載基本組合; 2)荷載標準組合; 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荷載標準組合結(jié)果

荷載標準組合工況對應(yīng)于正常使用極限狀態(tài)，主要考察目標構(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　荷載標準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中計算結(jié)果61 mm相符。GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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準值作用下產(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)定計算所得撓度限值為61 mm，滿足要求。

圖5　標準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中計算結(jié)果180 mm相符。GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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準值作用下產(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)該項目結(jié)構(gòu)設(shè)計等相關(guān)資料，并采用PKPM，SAP2000，ANSYS等軟件進行對比計算，結(jié)合類似工程經(jīng)驗進行綜合分析，結(jié)論如下:

1)原設(shè)計中桿件應(yīng)力設(shè)計滿足要求。

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

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

參考文獻:

［1］GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準［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)計規(guī)范［S］.

［4］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(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

文獻標識碼:A