鋼支撐構(gòu)件受力分析與質(zhì)量安全措施*

黃佩兵，孫亞茹

(中國電建集團(tuán)江西省水電工程局有限公司，江西 南昌 330096)

0 引 言

在鋼結(jié)構(gòu)體系中，鋼支撐構(gòu)件按重量計算占比雖然不大，結(jié)構(gòu)形式也比較簡單，但其能保證主要受力構(gòu)件的平面外穩(wěn)定和正常工作,增強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和空間剛度,并把縱向水平荷載及地震等作用力傳遞到主要受力構(gòu)件上。在鋼結(jié)構(gòu)安裝階段，鋼支撐構(gòu)件(含臨時設(shè)置的纜風(fēng)繩等)同樣起到保證主要受力構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。因此鋼支撐構(gòu)件雖然不是主要受力構(gòu)件，但其重要作用是不言而喻的。

然而，過去國內(nèi)外發(fā)生的一些鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全事故說明了一個不容忽視的事實(shí)，在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計、制作和安裝階段，鋼支撐構(gòu)件的重要作用沒有得到應(yīng)有的重視。根據(jù)國內(nèi)外120起鋼結(jié)構(gòu)典型事故統(tǒng)計分析可知，就事故破壞形式而言，鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故所占比例為33%左右。對于事故原因，制作和安裝階段所占的比例最大，為49.2%。制作和安裝階段的連接質(zhì)量差、鋼材質(zhì)量低劣、支撐和結(jié)構(gòu)剛度不足是引發(fā)事故最常見的原因[1]。因此，筆者就鋼支撐構(gòu)件受力情況和在設(shè)計、制作與安裝階段存在的問題做了一些分析與探討。

1 鋼支撐構(gòu)件分類及結(jié)構(gòu)形式

在鋼結(jié)構(gòu)體系中，鋼支撐構(gòu)件一般分為水平支撐、垂直(柱間)支撐和系桿。一般情況下，水平支撐和垂直(柱間)支撐主要承擔(dān)縱向水平荷載作用，系桿主要承擔(dān)防止主要受力構(gòu)件(如鋼梁、鋼柱和鋼桁架上、下弦桿等)平面外失穩(wěn)的任務(wù)。地震發(fā)生時，水平支撐、垂直支撐和系桿均承擔(dān)地震作用力。

水平支撐主要有交叉式，垂直支撐主要有交叉式、桁架形式和門式，系桿一般為直線形，門式剛架結(jié)構(gòu)中的隅撐與檁條的組合體系、拉條可歸類為系桿的特殊形式。鋼支撐構(gòu)件均由圓鋼、角鋼、鋼管、H型鋼等型鋼和鋼板制作而成，與主要構(gòu)件之間通常采用螺栓連接，但有時也采用焊接方式連接。

2 鋼支撐構(gòu)件的受力情況

水平支撐布置在鋼梁或鋼屋架上下弦的平面上，橫向水平支撐根據(jù)縱向荷載按水平桁架計算，縱向水平支撐一般在廠房配置有重級制或大噸位橋機(jī)的情況下設(shè)置。垂直(柱間)支撐的內(nèi)力應(yīng)根據(jù)該柱列所受縱向荷載按支承與柱腳基礎(chǔ)的豎向懸臂桁架計算，當(dāng)同一柱列設(shè)有多道柱間支撐時，縱向力在支撐間可按均勻分布考慮[2]。門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)中的交叉支撐和柔性系桿可按拉桿設(shè)計。

隅撐與檁條組合體系作為系桿時，隅撐應(yīng)按軸心受壓構(gòu)件設(shè)計，軸心力為：

式中：A為實(shí)腹斜梁被支撐翼緣的截面面積；f為實(shí)腹斜梁鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值；fy為實(shí)腹斜梁鋼材的屈服強(qiáng)度；θ為隅撐與檁條軸線的夾角)。此時檁條兼做撐桿，當(dāng)隅撐成對布置時，軸心力N可減半。

系桿分為剛性系桿和柔性系桿，柔性系桿可按拉桿設(shè)計。將梁(柱)的受壓翼緣視為軸心壓桿，用作減少梁(柱)受壓翼緣自由長度的側(cè)向支撐(系桿)，應(yīng)能承受沿被撐構(gòu)件屈曲方向的支撐力，其值按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50017-2017)7.5.1條計算[3]。

3 各階段存在問題的分析

3.1 設(shè)計中的問題分析

一些工程技術(shù)人員對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性概念的認(rèn)識較為模糊，在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計和施工中存在重視強(qiáng)度問題而忽視穩(wěn)定性問題的錯誤傾向。工程設(shè)計人員在設(shè)計中往往容易忽視支撐體系的科學(xué)合理布置，造成鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。

由于鋼支撐構(gòu)件為非主要受力構(gòu)件，一些設(shè)計人員認(rèn)為受力簡單且很小，對結(jié)構(gòu)荷載和受力情況估計不足，未認(rèn)真進(jìn)行詳細(xì)的受力計算。往往僅憑經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計中容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接形式不合理、節(jié)點(diǎn)描述不清楚、主次構(gòu)件之間連接失效和支撐構(gòu)件剛度不足等問題，這將為工程質(zhì)量安全埋下隱患。

3.2 制造中的問題分析

在我國現(xiàn)行的鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范中，雖然有專門的條款對鋼材復(fù)檢進(jìn)行了規(guī)定，但并未將鋼支撐構(gòu)件等非主要受力構(gòu)件所用材料納入必須復(fù)檢的鋼材范圍內(nèi)。而工程參建各方也往往未關(guān)注此類材料的復(fù)檢工作，從而在原材料方面埋下了質(zhì)量隱患。同時，由于很多鋼支撐構(gòu)件所用材料為較小的型鋼，其生產(chǎn)廠家規(guī)模比較小，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。國內(nèi)鋼材市場上的此類產(chǎn)品魚龍混雜，其外形尺寸和力學(xué)性能時常不符合規(guī)范要求，因此鋼支撐構(gòu)件的質(zhì)量很難從源頭上得到保障。

在制造階段，由于鋼支撐構(gòu)件結(jié)構(gòu)相對簡單，鋼結(jié)構(gòu)制造廠容易忽視其制作質(zhì)量，同時為降低制作成本，往往選用一些技能較差的裝配工和焊工從事鋼支撐構(gòu)件的制作任務(wù)，結(jié)果容易造成構(gòu)件焊縫質(zhì)量和外形尺寸達(dá)不到設(shè)計和規(guī)范要求。因此，構(gòu)件制作過程中容易產(chǎn)生較嚴(yán)重的初偏心、初彎曲和焊接殘余變形等缺陷。

此類外形尺寸缺陷對軸心受壓桿件的影響是相似的，造成桿件的臨界力小于理論上的歐拉力，缺陷嚴(yán)重時將顯著降低鋼支撐構(gòu)件的承載力，給正常使用階段的鋼結(jié)構(gòu)建筑帶來了重大的風(fēng)險。

3.3 安裝中的問題分析

鋼結(jié)構(gòu)在安裝的過程中，在形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)之前，屬于幾何可變體系，其穩(wěn)定性很差，必須借助相應(yīng)的鋼支撐體系(或臨時設(shè)置的纜風(fēng)繩等)以維持安裝過程中的穩(wěn)定性，否則極易發(fā)生主構(gòu)件失穩(wěn)或支座部位失效的情況，從而引起鋼結(jié)構(gòu)體系整體倒塌和傾覆事故。

在安裝階段，雖然經(jīng)過層層審批的施工方案能滿足工程質(zhì)量和安全方面的要求，但施工單位往往忽視技術(shù)方案的交底和落實(shí)。在趕工期和加快進(jìn)度降低成本的情況下，容易發(fā)生施工過程中不及時安裝必要的支撐構(gòu)件的現(xiàn)象，未布置足夠數(shù)量的(臨時)支撐結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在風(fēng)荷載等外力作用下就容易發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)大面積坍塌事故。

4 改進(jìn)措施

針對支撐構(gòu)件在各階段存在的問題，提出以下建議。

(1) 工程設(shè)計時,應(yīng)充分考慮鋼結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，預(yù)測所有可能發(fā)生的荷載和受力情況，對鋼支撐構(gòu)件的受力進(jìn)行詳細(xì)的計算。選擇合理的布置方式和節(jié)點(diǎn)連接形式，盡量避免采用通用節(jié)點(diǎn)，以防節(jié)點(diǎn)適用性差和主次構(gòu)件之間連接失效等問題。同時從設(shè)計上明確材料復(fù)檢要求。

(2) 制造階段，生產(chǎn)廠家在采購時應(yīng)嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，材料進(jìn)場后要及時復(fù)檢，避免不合格材料流入到后續(xù)生產(chǎn)過程中。加強(qiáng)加工人員的技能培訓(xùn)和考核，合理配置人力資源，使加工人員的技能得到保證。同時加強(qiáng)產(chǎn)品制作過程的質(zhì)量控制，避免質(zhì)量缺陷進(jìn)入下道工序。

(3) 安裝階段，鋼結(jié)構(gòu)安裝企業(yè)應(yīng)因地制宜地制定科學(xué)、合理的施工方案，逐級進(jìn)行技術(shù)交底，同時加強(qiáng)施工方案實(shí)施階段的監(jiān)督檢查，真正將其落實(shí)到位，避免施工方案“兩張皮”現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5 結(jié) 語

鋼支撐雖然不是主要受力構(gòu)件，但其在鋼結(jié)構(gòu)受力體系中起著非常重要的作用，并不是可有可無的部分。在安裝和使用階段，其扮演的角色無法被其它構(gòu)件替代。因此，在鋼支撐構(gòu)件的設(shè)計、制造和安裝環(huán)節(jié)，設(shè)計單位、生產(chǎn)廠家和施工單位應(yīng)給予高度重視，層層把關(guān)，才能確保鋼支撐構(gòu)件發(fā)揮其應(yīng)有的作用，從而確保鋼結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性和安全。