H型鋼梁外掛PC板偏心受力變形對(duì)外墻垂直平整度的影響分析與糾偏約束方法的研究

姜超，郭遠(yuǎn)遠(yuǎn)，馬廣生，孫振標(biāo)，夏文之

（中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

1 研究背景

1.1 設(shè)計(jì)概況

本工程外墻設(shè)計(jì)為H型鋼梁偏心受力外掛PC板，H型鋼梁的支座剛接與鋼骨混凝土柱上，如圖1所示。

圖1 H型鋼梁與PC掛板關(guān)系三維圖

1.2 可能對(duì)外墻PC掛板垂直度、平整度和豎縫大小的影響

由于H型鋼梁偏心受力或受本體剛度的影響會(huì)產(chǎn)生各種位移，而H型鋼梁本體的各種位移一定會(huì)影響外墻PC掛板的接縫大小、垂直度、平整度，對(duì)建筑工程尺寸允許偏差項(xiàng)和外觀質(zhì)量有較大的影響。

2 H型鋼梁偏心受力變形計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

2.1 理論計(jì)算與統(tǒng)計(jì)

2.1.1 理論計(jì)算

①工況一

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖分析，鋼梁兩端約束簡(jiǎn)化為剛接點(diǎn)，其受力情況如圖2所示。

圖2 鋼梁撓度變形理論計(jì)算簡(jiǎn)圖（L=14.6m）

已知：鋼梁長(zhǎng)14.6m，鋼梁規(guī)格：H700×300×14×25；材質(zhì)：Q355；鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板，每塊長(zhǎng)2420mm，掛板間間隙20mm，每塊重 1.33t，總重1.33×6=7.98t；荷 載 ：鋼 梁 自 重 荷 載1.89kN/m，掛板荷載簡(jiǎn)化為線型均布荷載 5.50kN/m；鋼梁截面特性：I=20.30×10^4cm^4，E=2.1×10^5MPa。

求：梁跨中撓度變形最大值：

計(jì)算式

②工況二

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖分析，鋼梁兩端約束簡(jiǎn)化為剛接點(diǎn)，其受力情況如圖3所示。

圖3 鋼梁撓度變形理論計(jì)算簡(jiǎn)圖(L=14.6m)

已知：鋼梁長(zhǎng)14.6m，鋼梁規(guī)格：H700×300×14×25；材質(zhì)：Q355；鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板，每塊長(zhǎng)2420mm，掛板間間隙 20mm，每塊重 1.33×1.45(安 全 系 數(shù))=1.93t，總 重 1.93×6=11.58t；荷載：鋼梁自重荷載1.89kN/m，掛板荷載簡(jiǎn)化為線型均布 5.50×1.45=7.98kN/m；鋼梁截面特性：I=20.30×10^4cm^4，E=2.1×10^5MPa。

求：梁跨中撓度變形最大值：

計(jì)算式：

Ymax=ql^4/(384EI)=2.74mm

③工況三

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)圖分析，鋼梁兩端約束簡(jiǎn)化為剛接點(diǎn)，其受力情況如圖4所示。

圖4 鋼梁撓度變形理論計(jì)算簡(jiǎn)圖（L=8.1m）

已知：鋼梁長(zhǎng)8.1m，鋼梁規(guī)格：H700×300×14×20；材質(zhì)：Q355；鋼梁上外掛3塊預(yù)制掛板，每塊長(zhǎng)2680mm，掛板間間隙20mm，每塊重 1.79t，總重1.79×3=5.37t；荷 載 ：鋼 梁 自 重 荷 載1.67kN/m，掛板荷載簡(jiǎn)化為線型均布荷載 6.68kN/m；鋼梁截面特性：I=17.23×10^4cm^4，E=2.1×10^5MPa。

求：梁跨中撓度變形最大值：

計(jì)算式：

Ymax=ql^4/(384EI)=2.587mm

2.1.2 理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)

理論計(jì)算H型鋼梁跨中擾度統(tǒng)計(jì)如表1所示。

H型鋼梁跨中擾度理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)表 表1

2.2 有限元分析

本分析采用有限元軟件abaqus，針對(duì)設(shè)計(jì)的三種工況的整體模型最大位移、鋼梁最大位移、整體模型在X軸方向最大位移、鋼梁在X軸方向最大位移、整體模型在Y軸方向最大位移、鋼梁在Y軸方向最大位移、整體模型在Z軸方向最大位移、鋼梁在Z軸方向最大位移逐一進(jìn)行分析，其分析結(jié)果如下。

①第一種工況：鋼梁長(zhǎng)14.6m，兩端按剛接，鋼梁規(guī)格 H700×300×14×25；材質(zhì)：Q355。鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板，每塊長(zhǎng) 2420mm，掛板間間隙20mm，每塊重 1.33 t，總重 1.33×6=7.98 t。

整體模型最大位移分析——整體模型最大位移分析如圖5所示。

圖5 整體模型最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型最大位移為8.550mm。

鋼梁最大位移分析——鋼梁最大位移分析如圖6所示。

圖6 鋼梁整體最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁整體最大位移為4.631mm。

整體模型在X軸方向最大位移分析——整體模型在X軸方向最大位移分析如圖7所示。

圖7 整體模型在X軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在X軸方向最大位移量為：3.584mm。

鋼梁在X軸方向最大位移分析——鋼梁在X軸方向最大位移分析如圖8所示。

圖8 鋼梁在X軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在X軸方向最大位移為3.584mm

整體模型在Y軸方向最大位移分析——整體模型在Y軸方向最大位移分析如圖9所示。

圖9 整體模型在Y軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在Y軸方向最大位移為5.433mm。

鋼梁在Y軸方向最大位移分析——鋼梁在Y軸方向最大位移分析如圖10所示。

圖10 鋼梁在Y軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在Y軸方向最大位移量為2.965mm。

整體模型在Z軸方向最大位移分析——整體模型在Z軸方向最大位移分析如圖11所示。

圖11 整體模型在Z軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在Z軸方向最大位移量為0.3313mm。

鋼梁在Z軸方向最大位移分析——鋼梁在Z軸方向最大位移分析如圖12所示。

圖12 鋼梁在Z軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在Z軸方向最大位移量為0.2361mm。

②第二種工況：鋼梁長(zhǎng)14.6m，兩端按剛接，鋼梁規(guī)格H700×300×14×25；材質(zhì)：Q355。鋼梁上外掛6塊預(yù)制掛板，每塊長(zhǎng)2420mm，掛板間間隙20mm，每塊重1.33×1.45(安全系數(shù)）=1.93t，總重1.93×6=11.58t。

整體模型最大位移分析——整體模型最大位移分析如圖13所示。

圖13 整體模型最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型最大位移量為12.410mm。

鋼梁最大位移分析——鋼梁最大位移分析如圖14所示。

圖14 鋼梁最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁最大位移量為6.724mm。

整體模型在X軸方向最大位移分析——整體模型在X軸方向最大位移分析如圖15所示。

圖15 整體模型在X軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在X軸方向最大位移量為5.205mm。

鋼梁在X軸方向最大位移分析——鋼梁在X軸方向最大位移分析如圖16所示。

圖16 鋼梁在X軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在X軸方向最大位移量為5.205mm。

整體模型在Y軸方向最大位移分析——整體模型在Y軸方向最大位移分析如圖17所示。

圖17 整體模型在Y軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在Y軸方向最大位移量為7.888mm。

鋼梁在Y軸方向最大位移分析——鋼梁在Y軸方向最大位移分析如圖18所示。

圖18 鋼梁在Y軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在Y軸方向最大位移量為4.305mm。

整體模型在Z軸方向最大位移分析——整體模型在Z軸方向最大位移分析如圖19所示。

圖19 整體模型在Z軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在Z軸方向最大位移量為0.4811mm。

鋼梁在Z軸方向最大位移分析——鋼梁在Z軸方向最大位移分析如圖20所示。

圖20 鋼梁在Z軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在Z軸方向最大位移量為0.3429mm。

③第三種工況：鋼梁長(zhǎng)8.1m，兩端按剛接，鋼梁規(guī)格H700×300×14×20；材質(zhì)：Q355。鋼梁上外掛3塊預(yù)制掛板，每塊長(zhǎng)2680mm，掛板間間隙20mm，每 塊 重 1.79t，總 重 1.79×3=5.37t。

整體模型最大位移分析——整體模型最大位移分析如圖21所示。

圖21 整體模型最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型最大位移量為：12.33mm。

鋼梁最大位移分析——鋼梁最大位移分析如圖22所示。

圖22 鋼梁最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁最大位移量為1.901mm。

整體模型在X軸方向最大位移分析——整體模型在X軸方向最大位移分析如圖23所示。

圖23 整體模型在X軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在X軸方向最大位移量為10.78mm。

鋼梁在X軸方向最大位移分析----鋼梁在X軸方向最大位移分析如圖24所示。

圖24 鋼梁在X軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在X軸方向最大位移量為0.7767mm。

整體模型在Y軸方向最大位移分析——整體模型在Y軸方向最大位移分析如圖25所示。

圖25 整體模型在Y軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在Y軸方向最大位移量為0.327mm。

鋼梁在Y軸方向最大位移分析——鋼梁在Y軸方向最大位移分析如圖26所示。

圖26 鋼梁在Y軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在Y軸方向最大位移量為0.2851mm。

整體模型在Z軸方向最大位移分析——整體模型在Z軸方向最大位移分析如圖27所示。

圖27 整體模型在Z軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：整體模型在Z軸方向最大位移量為0.7952mm。

鋼梁在Z軸方向最大位移分析——鋼梁在Z軸方向最大位移分析如圖28所示。

圖28 鋼梁在Z軸方向最大位移分析圖

由分析圖得出：鋼梁在Z軸方向最大位移量為0.09528mm。

2.3 有限元分析統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述三種不同工況的有限元分析，其統(tǒng)計(jì)最大位移量如表2所示。

3 理論計(jì)算、有限元分析影響程度分析

3.1 理論計(jì)算影響程度分析

根據(jù)三種工況下H型鋼梁跨中擾度理論計(jì)算統(tǒng)計(jì)來(lái)看，梁跨中撓度變形最大值不足3mm（見表1所示），對(duì)PC掛板接縫的大小影響程度在允許范圍之內(nèi)。

3.2 有限元分析影響程度分析

3.2.1 Y方向位移分析

根據(jù)上述三種不同工況的有限元分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見表2所示），其中工況二中Y方向位移量最大，位移量為7.880mm，即2000mm平整度偏差為7.88（mm）/4=1.97（mm）,在標(biāo)準(zhǔn)允許偏差范圍內(nèi)。

3.2.2 整體模型位移和X方向位移分析

根據(jù)上述三種不同工況的有限元分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2所示，其中工況二中X方向位移量最大位移量為10.780mm。PC掛板高度為1500mm，則為2000mm檢測(cè)尺的0.75，變形中心軸位于PC掛板的中間1/2處，則平整度偏差=X軸變形量×0.75/2。

由此可得，當(dāng)X方向最大位移量為10.780mm時(shí)，則垂直度偏差＝

10.780 （mm）×0.75/2=4.04（mm）,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外墻垂直度應(yīng)＜3mm，已超出標(biāo)準(zhǔn)允許偏差范圍內(nèi)。

當(dāng)：外墻垂直度應(yīng)＜3mm時(shí)，則X方向最大位移量為3×2/0.75≤8(mm)。

即：當(dāng)整體模型位移和X方向最大位移量＞8mm時(shí)，應(yīng)采取措施。

4 糾偏約束方法

三種不同工況的有限元分析統(tǒng)計(jì)一覽表 表2

4.1 安裝時(shí)反向預(yù)頂法

分析表明，影響外墻PC掛板垂直度、平整度的主要因素是三種工況下的整體模型位移和H型鋼梁X軸的最大位移，安裝時(shí)可預(yù)先向位移相反方向預(yù)頂，實(shí)現(xiàn)方法如圖29所示。

圖29 反向預(yù)頂法示意圖

4.2 現(xiàn)澆筑混凝土前調(diào)整法

分析表明，影響外墻PC掛板垂直度、平整度的主要因素是三種工況下鋼梁X軸的最大位移量，本案采用一種預(yù)制掛板固定及垂直度調(diào)整的工具，該工具在結(jié)構(gòu)板與PC掛板混凝土整體澆筑之前，先將PC掛板糾偏，使鋼梁X軸方向位移量減小至0（即：PC掛板垂直度偏差為0），然后澆筑混凝土，一周后拆除該工具。實(shí)現(xiàn)方法如圖30所示。

圖30 現(xiàn)澆筑混凝土前調(diào)整法示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

為了避免建筑工程H型鋼梁外掛PC板偏心受力而導(dǎo)致的外掛板板縫不均勻、垂直度和平整度偏差影響工程質(zhì)量，在經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和有限元分析H型鋼的剛度足以承受荷載的前提之下產(chǎn)生一定量的位移后，采取安裝時(shí)反向預(yù)頂法和現(xiàn)澆筑混凝土前調(diào)整法，可確保工程質(zhì)量。