王 總

(上海水石建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司重慶分公司 重慶 400000)

0 引言

桁架是一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)。從受力形式上分平面桁架和空間桁架。桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時(shí)可比實(shí)腹梁節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度。在大型的體育場(chǎng)館、航站樓、火車站等公共建筑的屋蓋中，廣泛采用鋼桁架。桁架的桿件可為圓鋼管、H型鋼、角鋼。角鋼桁架整體剛度大、自重輕，適用跨度在18m～36m，故在已建成的工業(yè)廠房中，屋蓋多采用角鋼桁架。

與其它建筑材料相比，鋼材強(qiáng)度要高得多，在相同的結(jié)構(gòu)體系和荷載情況下，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面較小，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受壓時(shí)的穩(wěn)定問題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常突出。近年來，鋼屋蓋整體坍塌事故屢見不鮮。如2008年南方雪災(zāi)，導(dǎo)致縱多鋼結(jié)構(gòu)廠房發(fā)生倒塌。文獻(xiàn)[1]對(duì)其中一個(gè)門剛廠房的倒塌進(jìn)行了深入分析，其中一個(gè)原因就是桿件的穩(wěn)定應(yīng)力比超限。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免鋼結(jié)構(gòu)的局部或整體穩(wěn)定破壞。

1 工程概況

該工程為某中學(xué)藝術(shù)中心，屋蓋采用梯形鋼桁架。建筑安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)維修年限為10年。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，考慮到該建筑的重要性，設(shè)計(jì)時(shí)將抗震設(shè)防烈度提到7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，抗震等級(jí)為三級(jí)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組?；撅L(fēng)壓0.4kN/m2。原設(shè)計(jì)荷載屋面上弦恒載0.3kN/m2，下弦恒載0.2kN/m2，活荷載0.5kN/m2。圖1～圖5分別為該建筑主體結(jié)構(gòu)布置圖、屋頂鋼桁架布置圖、鋼桁架詳圖、檁條布置圖及其中一品縱向支撐詳圖。

該建筑存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題，而此時(shí)所有的鋼屋架、檁條已經(jīng)安裝完畢，存在安全隱患。經(jīng)當(dāng)?shù)亟ㄎ|(zhì)量抽查發(fā)現(xiàn)，該工程在設(shè)計(jì)上的一些問題進(jìn)行分析，如表1所示。

圖1 鋼桁架下部主體結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 屋頂鋼桁架布置圖

圖3 鋼桁架(GWJ2)詳圖

圖4 屋面檁條布置圖

圖5 縱向支撐CC2詳圖

桿件類別截面鋼號(hào)上弦桿2L90×90×6Q345腹桿2L50×50×5Q345下弦桿2L90×90×6Q345

2 檁條布置位置有誤

對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)，荷載通過節(jié)點(diǎn)傳至各個(gè)桿件，所有的桿件均為二力桿，只承受拉力或者壓力。所以，檁條一般布置在桁架節(jié)點(diǎn)處。對(duì)比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，檁條并未布置在各個(gè)節(jié)點(diǎn)處，有的檁條甚至位于桿件的跨中位置，導(dǎo)致上弦桿從軸向受力構(gòu)件變成壓彎構(gòu)件。原因在于：假定上弦桿按照軸心受壓構(gòu)件計(jì)算出來的強(qiáng)度應(yīng)力比為0.7，此時(shí)該構(gòu)件具有較大的強(qiáng)度富余。根據(jù)文獻(xiàn)[2]5.1.1條，可計(jì)算出N=461.3kN。按原始荷載計(jì)算，當(dāng)檁條位于桿件跨中時(shí)，M=1.65kN·m，則根據(jù)文獻(xiàn)[1]5.2.1條可求得強(qiáng)度應(yīng)力比為0.9，應(yīng)力比增大29%，同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)度應(yīng)力一旦達(dá)到0.9，其穩(wěn)定應(yīng)力基本都會(huì)超限。故該構(gòu)件按現(xiàn)有的檁條布置方式，很有可能產(chǎn)生瞬間的失穩(wěn)破壞。因此，該檁條位置布置不當(dāng)，需調(diào)整到節(jié)點(diǎn)位置處。

3 荷載不足

該建筑屋面采用雙層彩鋼板夾100mm厚保溫棉，根據(jù)文獻(xiàn)[3]附錄A，該荷載為0.24kN/m2，再加上檁條、水平拉條等附屬構(gòu)件的自重，原設(shè)計(jì)輸入的恒載為0.3kN/m2剛好滿足設(shè)計(jì)需求。屋面為不上人屋面，活荷載取0.5kN/m2，原設(shè)計(jì)滿足條件。對(duì)于此類藝術(shù)中心，屋架的下弦會(huì)設(shè)置隔聲設(shè)備、吸音設(shè)備、音響、大吊燈、裝飾天棚、帷幕等，按經(jīng)驗(yàn)估算，下弦荷載為0.7kN/m2左右，但原設(shè)計(jì)下弦恒載僅為0.2kN/m2。原設(shè)計(jì)總恒載為0.5kN/m2，現(xiàn)總恒載為1.0kN/m2，是原有恒載的2倍，荷載嚴(yán)重不足，屬違反結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的強(qiáng)條。對(duì)于學(xué)校類公共建筑，荷載不足將產(chǎn)生巨大的危害。因此，需按照實(shí)際荷載重新設(shè)計(jì)此桁架或者對(duì)其進(jìn)行加固。

4 荷載傳遞方式錯(cuò)誤

圖6為原屋面荷載傳力簡(jiǎn)圖，屋面荷載通過鋼桁架上弦節(jié)點(diǎn)和縱向支撐節(jié)點(diǎn)傳力給主桁架和縱向支撐。該傳力方式的錯(cuò)誤之處在于：

(1)檁條支撐于主桁架上弦節(jié)點(diǎn)，屋面彩鋼板上的附加恒載和活載傳力給檁條，檁條通過上弦節(jié)點(diǎn)直接傳力給主桁架，但縱向支撐的上弦節(jié)點(diǎn)并未承受任何節(jié)點(diǎn)荷載，故采用這種全節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行荷載傳遞，與實(shí)際構(gòu)件布置不匹配，使計(jì)算出來結(jié)果不準(zhǔn)確。

(2)原設(shè)計(jì)將縱向支撐當(dāng)成受力桁架，與主桁架共同受力計(jì)算，形成空間傳力體系，計(jì)算方式不妥。圖5所示的縱向支撐，其面外支撐為兩端的主桁架，間距為7m，中間無任何側(cè)向支撐點(diǎn)。對(duì)于上弦受壓弦桿，面外計(jì)算長(zhǎng)度L=7m，長(zhǎng)細(xì)比λ=170>150，不滿足規(guī)范的要求。圖2中的縱向支撐CC3，側(cè)向支撐點(diǎn)間距為8m，λ=198>150，不滿足規(guī)范的要求。根據(jù)文獻(xiàn)[4]的理論，下弦出平面自由長(zhǎng)度大于節(jié)間長(zhǎng)度3倍者，很難對(duì)受壓腹桿提供足夠的彈簧剛度，亦即該支撐的受壓腹桿穩(wěn)定性也不滿足要求。

因此，將縱向支撐當(dāng)成受力桁架計(jì)算，不滿足穩(wěn)定計(jì)算要求，過高估計(jì)縱向支撐的承載力，降低了主桁架受力，應(yīng)按單向傳力體系計(jì)算，縱向支撐是主桁架的側(cè)向構(gòu)造支撐，可作為整體結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備考慮。

圖6 屋面荷載傳力簡(jiǎn)圖

5 受壓腹桿的選取

(a) (b)圖7 角鋼拼接形式

在角鋼桁架中，角鋼一般采用雙拼的形式。常用的拼接形式如圖7所示。對(duì)于受壓腹桿，多采用圖(a)組合方式。以L90×10等邊角鋼組合為例，肢距10mm。若面內(nèi)計(jì)算長(zhǎng)度為2.5m，則長(zhǎng)細(xì)比λa=60.7，λb=91.6，很顯然圖(a)安全儲(chǔ)備會(huì)更高。故對(duì)于受壓腹桿，宜采用圖(a)拼接方式，強(qiáng)度更高，也不影響其余構(gòu)件安裝。原設(shè)計(jì)采用圖(b)拼接方式，沒有足夠的富余。

6 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)有誤

從圖3可以看出，該鋼桁架跨度26.4m，端部高度0.8m。按照文獻(xiàn)[5]要求，立體桁架高度可取跨度的1/12～1/16，即便按最小值1/16取值，桁架高度也應(yīng)為1.65m，該桁架高度遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)需要。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需要滿足概念設(shè)計(jì)要求，但此桁架不滿足。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，角鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間推移，角鋼拼縫處大量的局部銹蝕無法處理，后期維護(hù)成本極高，故此類結(jié)構(gòu)大多用于工業(yè)廠房中。并且，通常計(jì)算時(shí)，鋼型材厚度都應(yīng)折減。比如，采用10mm厚的角鋼，在計(jì)算時(shí)宜按8mm～9mm取值。故對(duì)于此類重要的公共建筑，不宜采用角鋼桁架結(jié)構(gòu)形式，宜采用管桁架或者H型鋼桁架。另外，從圖1可看出，屋蓋周邊均有結(jié)構(gòu)柱，故也可采用周邊支撐的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式，既美觀，受力又合理。而該屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了最不適合的角鋼桁架，不滿足規(guī)范對(duì)矢跨比規(guī)定，不符合概念設(shè)計(jì)要求，應(yīng)進(jìn)行加固。

7 加固方案

鋼桁架加固可采用向上增加桁架，或向下增加桁架做成魚腹式，從而增加桁架高度，提高剛度。但該工程中桁架已經(jīng)安裝就位，且由于工期限制，不能拆卸再重新加工制作，若采用此方法，高空焊接量太大，節(jié)點(diǎn)處鋼材很容易軟化，影響安全。該工程采用新增鋼梁HN800×300，在鋼梁頂部設(shè)置5個(gè)豎向支撐點(diǎn)，使原鋼桁架和鋼梁協(xié)同工作，共同承受屋面及裝修荷載，如圖8所示。

圖8 角鋼拼接形式

經(jīng)計(jì)算，鋼梁應(yīng)力比最大0.63，撓度1/605，桁架應(yīng)力比均小于0.85，滿足規(guī)范要求，且原鋼柱的配筋可以包絡(luò)住此種受力下的配筋結(jié)果。但對(duì)于鋼梁與柱的連接，需在柱頂1.5m高度范圍內(nèi)采用t=32鋼板進(jìn)行抱箍處理，提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。從施工的角度，單根鋼梁總重約5.2 t，在工廠預(yù)制成兩段，在現(xiàn)場(chǎng)用小型吊車吊裝、拼接即可，施工簡(jiǎn)單、速度快，且結(jié)構(gòu)安全、可靠，故采用此方法可行。

8 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外歷次大地震震害充分說明，抗震概念設(shè)計(jì)是決定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要因素，建筑的結(jié)構(gòu)體型、場(chǎng)地情況及構(gòu)件受力狀況，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能有顯著的影響。大跨屋蓋結(jié)構(gòu)的選型和布置首先應(yīng)保證屋蓋的地震效應(yīng)能夠有效地通過支座節(jié)點(diǎn)傳遞給下部結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)，且傳遞途徑合理。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)牢固掌握力學(xué)、規(guī)范、工程經(jīng)驗(yàn)等，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)國(guó)家、人民的生命財(cái)產(chǎn)安全負(fù)責(zé)。本文僅以此例提供借鑒。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 霍靜思.某門式剛架輕鋼結(jié)構(gòu)廠房倒塌事故調(diào)查與分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2010,19(5):146-150.

[2] GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

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[4] 陳紹蕃.桁架受壓腹桿的面外穩(wěn)定和支撐體系[J].工程力學(xué),1996,13(1):16-24.

[5] JGJ 7-2010 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.