鋼結構安裝偏差對結構性能影響

劉振偉

中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結構分公司

鋼結構安裝偏差對結構性能影響

劉振偉

中建二局安裝工程有限公司廊坊鋼結構分公司

鋼結構工程從建設用材料到施工整個過程都涉及到產生偏差的一些原因，因此，建設安裝偏差對于鋼結構來說是難以避免的。本文對鋼結構安裝偏差對結構性能影響進行分析探討，僅供參考。

鋼結構；加工安裝；結構性能；影響因素

加強鋼結構工程施工質量的控制，對保證鋼結構工程實現預期的目標具有十分重要的意義，所以下文對安裝偏差進行分類與分析。

1 鋼結構安裝偏差分類

1.1 單層鋼結構安裝偏差

1.1.1 單層鋼結構偏差1

在《驗收規范》附錄E.0.1(單層鋼結構中柱子安裝的允許偏差)中對柱腳底座中心線對定位軸線的偏移量的規定允許偏差△為5mm，檢驗方法為用吊線和鋼尺檢查。

圖1 單層柱腳偏差圖

在這個規定中可以發現所規定的限值與鋼柱地腳螺栓的允許偏差不太相符，因在GB50205的第10.2.2中允許的地腳螺栓偏差為5mm，預留孔中心偏差為10mm。在極端情況下就可能造成柱腳無法安裝。

1.1.2 單層鋼結構偏差2

在《驗收規范》附錄E.0.1(單層鋼結構中柱子安裝的允許偏差)中對單層鋼結構柱彎曲矢高的偏移量規定允許偏差f為H/1200(mm) (H為單層鋼結構柱柱高)且不應大于15mm。

1.1.3 單層鋼結構偏差3

在《驗收規范》附錄E.0.1(單層鋼結構中柱子安裝的允許偏差)中對單層鋼結構柱軸線垂直度的偏移量規定(H均為單層鋼結構柱柱高)：

單層柱：

H≤10m，單層鋼結構柱軸線垂直度允許偏差為H/1000(mm)；

H＞10m，單層鋼結構柱軸線垂直度允許偏差H/1000(mm)，且不應大于25mm；

多節柱：單節柱，單層鋼結構單節柱柱軸線垂直度允許偏差H/1000(mm)，且不應大于10mm；

柱全高，單層鋼結構多節柱柱全高柱軸線垂直度允許偏差35mm。

1.1.4 單層鋼結構偏差4

在《驗收規范》表10.3.4(單層鋼結構整體垂直度和整體平面彎曲的允許偏差)中對單層鋼結構主體結構整體垂直度的偏移量△規定：允許偏差為H/1000(mm)(H為單層鋼結構主體結構的高度)，且不應大于25mm。

1.2 多層鋼結構安裝偏差

1.2.1 多層鋼結構偏差1

在《驗收規范》附錄E.0.5 (多層及高層鋼結構中構件安裝的允許偏差)中對多層鋼結構上下柱連接錯口偏移量的規定允許偏差△為3mm。

1.2.2 多層鋼結構偏差2

在《驗收規范》附錄E.0.5(多層及高層鋼結構中構件安裝的允許偏差)中對多層鋼結構同一根梁兩端頂面高差偏移量的規定：允許偏差△為l/1000(mm)(l為鋼結構梁跨度)，且不應大于10mm。

圖2 多層鋼結構梁頂面高差偏差圖

1.2.3 多層鋼結構偏差3

在《驗收規范》表多11.3.2(多層鋼結構柱子安裝的允許偏差)中對多層鋼結構柱子定位軸線偏移量的規定允許偏差△為1mm。

圖3 多層鋼結構柱子定位軸線偏差

1.2.4 多層鋼結構偏差4

在《驗收規范》表11.3.5(多層鋼結構整體垂直度和整體平面彎曲的允許偏差)中對多層鋼結構主體結構整體垂直度偏移量的規定：允許偏差△為(H/2500+10)(mm)(H為多層鋼結構主結構高度)，且不應大于50mm。

2 鋼結構安裝偏差產生初應力對結構性能的影響

對于單層單跨鋼結構的加工和安裝偏差的影響，除了需要考慮單種偏差的作用，還應當考慮多種偏差同時出現的可能以及可能的影響。因此這里提出在鋼結構的加工和安裝中各種可能偏差的組合。

通過對9m、12m、18m跨度的安裝偏差進行分析，在沒有偏差的情況下屈曲荷載系數分別為1.9987、1.3507和1.2096，同時考慮偏差以后對彈性穩定影響最大偏差組合為左柱柱腳偏差、右柱柱腳偏差和柱軸線垂直度偏差同時出現，9米跨度屈曲荷載系數為1.8941，使屈曲荷載減小5.23%，12米跨度屈曲荷載系數為1.3024，使屈曲荷載減小3.58%，18米跨度屈曲荷載系數為1.25，使屈曲荷載減小1.25%；同時隨著跨度增加，偏差對結構彈性穩定的影響越來越小，這主要原因是隨著跨度增加，結構截面面積和剛度的增大，使偏差對結構彈性穩定的影響減小，一般來說，對結構最大應力和變形的影響相對較小的是初變形的偏差，此時，可以對只產生初變形時的偏差帶來的結構性影響不予考慮。

對結構進行特征值屈曲分析時，在穩定平衡狀態，根據勢能駐值原理，考慮軸向力或者中面內力對彎曲變形的影響，可以得到結構的平衡方程：

上式中{P}是結構節點荷載向量；{U}是結構節點位移向量；{KG}是結構幾何剛度矩陣，也可以叫做初應力剛度矩陣；{KE}是結構彈性剛度矩陣。此式也可以作為結構幾何非線性分析的平衡方程。

根據勢能駐值原理，要得到結構隨遇平衡狀態，使結構勢能二階變分等于零：

在上式中，結構彈性剛度矩陣[KE]是已知的，而外荷載也就是要求的屈曲荷載，所以結構幾何剛度矩陣[KG]是未知的。為了求的該結構的屈曲荷載，可以任意假設一組外荷載為{P1}，相對應的結構幾何剛度矩陣是[K1G]。假設結構屈曲時，荷載是{P1}的λ倍，所以結構幾何剛度矩陣[KG]=λ [K1G]，從而式(2)可以轉化為：

將上式(3)改寫為特征值方程：

上式(4)中，λi是結構第i階特征值；{φi}是與λi相對應的特征向量，也是相對應的結構該階屈曲荷載時結構的變形形狀，即結構的屈曲模態或者結構的失穩模態。

在用有限元進行結構特征值屈曲分析時，給出的結果是λi，即結構第i階屈曲荷載系數，即為結構第階的屈曲荷載。單層單跨鋼結構和單層雙跨鋼結構高度、跨度、截面的選取以及荷載的取值都和對結構應力影響計算時一樣；在建模時，對單層單跨鋼結構和單層雙跨鋼結構梁的平面外支撐，除了9米跨是在梁端和中間設置外，其他跨度的梁均是每個米設置一個。

3 結束語

本文對于單層單跨和單層雙跨鋼結構安裝產生初應力的偏差及偏差組合，不僅計算了對結構彈性穩定的影響，而且對結構非線性穩定的影響的研究更具有實際意義；對于單層單跨和單層雙跨鋼結構安裝只有初變形的偏差及偏差組合，只是計算了對結構幾何非線性穩定的影響，而沒有考慮材料非線性，故對結構材料非線性的影響需要進一步的計算。

[1]李曉娟，王新堂，顧強等考慮初彎曲的半剛接鋼框架穩定承載力分析[J].工程力學，2009，26(3)：113-117.

[2]張才柱.門式剛架安裝偏差的有限元仿真分析[D].太原理工大學，2012.