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(chǎn)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(zhì)量的控制，對保證鋼結構工程實現(xiàn)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(guī)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(guī)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(guī)定中可以發(fā)現(xiàn)所規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(jié)柱：單節(jié)柱，單層鋼結構單節(jié)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(jié)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)定允許偏差△為3mm。

1.2.2 多層鋼結構偏差2

在《驗收規(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)分別為1.9987、1.3507和1.2096，同時考慮偏差以后對彈性穩(wěn)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(xiàn)，9米跨度屈曲荷載系數(shù)為1.8941，使屈曲荷載減小5.23%，12米跨度屈曲荷載系數(shù)為1.3024，使屈曲荷載減小3.58%，18米跨度屈曲荷載系數(shù)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(wěn)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(wěn)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(chǎn)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(wěn)定平衡狀態(tài)，根據(jù)勢能駐值原理，考慮軸向力或者中面內(nèi)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(jié)點荷載向量；{U}是結構節(jié)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(jù)勢能駐值原理，要得到結構隨遇平衡狀態(tài)，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(zhuǎn)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(tài)或者結構的失穩(wěn)模態(tài)。

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(shù)，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(chǎn)生初應力的偏差及偏差組合，不僅計算了對結構彈性穩(wěn)定的影響，而且對結構非線性穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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.