林祥武

(福州建工集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)建筑輕質(zhì)高強(qiáng)、抗震性能優(yōu)越、裝配效率高，已在各類高層建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。為便于通風(fēng)及電線和給排水管道等從梁柱構(gòu)件中自由通過，通常采取鋼梁腹板開孔的措施[2]，如圖1所示。但開孔后的鋼梁腹板截面削弱，易在開孔部位附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致屈曲破壞或剪切破壞，最終引發(fā)構(gòu)件連續(xù)性破壞。

圖1 工程項(xiàng)目中鋼梁腹板的開孔

國內(nèi)外學(xué)者通過大量的試驗(yàn)研究和有限元建模分析，研究各類腹板開孔鋼梁的力學(xué)性能和破壞模式。王春剛等[3]通過試驗(yàn)研究和有限元分析，研究了腹板開孔槽鋼梁局部屈曲問題，發(fā)現(xiàn)開孔對(duì)構(gòu)件的受力性能有明顯的削弱作用，承載力下降幅值較大，破壞位置大多發(fā)生在開孔截面處。朱群紅等[4]對(duì)腹板開孔的簡支鋼梁進(jìn)行彈性分析，發(fā)現(xiàn)開孔對(duì)腹板的局部屈曲有較大影響，應(yīng)限制開孔部分的寬厚比。趙金友等[5]通過靜力試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)開孔腹板鋼梁的承載力隨著孔高比的增大而減小，并討論了腹板高度、板厚和孔高比對(duì)構(gòu)件承載力的影響。江緯等[6]研究發(fā)現(xiàn)，腹板開孔壓型鋼板組合梁的極限承載力隨著栓釘連接件數(shù)量的增多而提高。雖然各學(xué)者對(duì)開孔鋼梁的受力性能和破壞模式進(jìn)行了一系列研究，但尚未結(jié)合工程項(xiàng)目，針對(duì)半剛性節(jié)點(diǎn)處的鋼梁，進(jìn)行鋼梁腹板開孔后的受力性能研究，缺少相關(guān)的工程建議和案例分析。

本文以福州某醫(yī)院項(xiàng)目為例，采用ABAQUS有限元分析軟件，考慮開孔熱切割的殘余應(yīng)變，建立半剛性節(jié)點(diǎn)處的腹板開孔鋼梁有限元模型，分析腹板開孔對(duì)鋼梁等受彎構(gòu)件承載性能的影響，明確鋼梁腹板開孔前后的內(nèi)力分布及其變化，并最終給出開孔時(shí)的施工建議和補(bǔ)強(qiáng)措施。

1 工程背景

福州某醫(yī)院項(xiàng)目位于長樂市首占新城區(qū)，工程總建筑面積122154m2(±00以上建筑面積101854m2)，由一棟24層住院樓、一棟5層門診醫(yī)技綜合樓及1層連廊、一棟5層傳染病樓、一棟9層后勤保障樓、一棟2層柴油發(fā)電機(jī)及變電所、一棟1層高壓氧艙、一棟1層污水處理和垃圾站、一棟1層門衛(wèi)以及住院樓、門診醫(yī)技綜合樓和連廊部分地下一層組成。其中住院樓建筑高度99.3m、門診樓25.2m、后勤保障樓33.7m、傳染病樓23.3m，門診醫(yī)技樓單體結(jié)構(gòu)體系為裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由于醫(yī)院項(xiàng)目涉及較多的管道通風(fēng)、線路連接、給排水等工程，需要對(duì)鋼梁腹板進(jìn)行開孔熱切割處理，因此，需要著重分析開孔對(duì)鋼梁受力性能的影響，給出可靠的工程建議和施工方案。

2 有限元數(shù)值分析

2.1 開孔腹板鋼梁

對(duì)于醫(yī)院等公共場所，房屋空間需求更大，采用腹板開孔鋼梁，可以有效減少管道對(duì)建筑物空間的占用。本項(xiàng)目半剛性端板型節(jié)點(diǎn)的腹板開孔工字梁如圖3所示，具體的截面尺寸與截面特性如表1所示。鋼材采用Q355普通碳素鋼，樓板厚度為120mm。

圖2 醫(yī)院效果圖

圖3 框架梁及洞口布置

表1 HM工字鋼截面特性

2.2 開孔腹板鋼梁的數(shù)值模型

考慮到對(duì)稱性，建模取鋼梁左側(cè)部分，采用ABAQUS有限元進(jìn)行精細(xì)化三維建模。鋼材采用雙折線模型，屈服應(yīng)力為418MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?00000微應(yīng)變。有限元模型及單元?jiǎng)澐终w如圖4所示。

(a)屈服模型(b)網(wǎng)格劃分圖4 開洞鋼梁單元?jiǎng)澐?/p>

為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)減少運(yùn)算，次要部分采用C3D8I單元，主要部分采用C3D20H單元。也就是說，次要部分采用一次線性運(yùn)算，洞口部分采用修正的二次插值運(yùn)算。為保證銜接處計(jì)算穩(wěn)定，提高精確度，采用四邊形-三角形雜化的方式進(jìn)行劃分，見圖5。

(a)腹板開洞部分(b)端板部分

2.3 開孔腹板鋼梁的數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)有限元分析結(jié)果，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時(shí)，開孔部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，鋼材屈服首先出現(xiàn)在開孔部位的四個(gè)角點(diǎn)位置(深藍(lán)色為未屈服)，并產(chǎn)生較大變形，最終導(dǎo)致剪切破壞，如圖6(a)所示。在受力機(jī)理上，鋼梁腹板開洞會(huì)導(dǎo)致洞口兩端產(chǎn)生空腹力矩，容易在洞口拐角處形成塑性鉸，最終造成鋼梁腹板剪切破壞。由于該開孔截面對(duì)承載力影響較大，不能滿足項(xiàng)目中的鋼梁承載力所需，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化，即采用多個(gè)較小面積的洞口。有限元分析結(jié)果如圖6(b)所示，優(yōu)化后的鋼梁承載力較高，應(yīng)力分布均勻，開孔部位未見鋼板屈服和較大的變形，構(gòu)件未出現(xiàn)驗(yàn)證的破壞特性。給出的工程建議是：當(dāng)開洞面積相同，荷載、跨度等外界條件相同的時(shí)候，選用均勻布置的小面積腹板開孔措施，能保證鋼梁足夠的承載力。對(duì)于剪力較大的開孔位置，應(yīng)在開孔部位設(shè)置加勁肋，以提高鋼梁強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性。

(a)優(yōu)化前 (b)優(yōu)化后圖6 鋼梁受力屈服變形圖

3 施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 鋼柱施工技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)柱首先進(jìn)行安裝作業(yè)，鋼柱的施工質(zhì)量決定了后續(xù)施工的定位精確度，并且可以防止因鋼梁施工偏差引起的安裝次生應(yīng)力。具體安裝技術(shù)要求如下：①綁扎。本工程結(jié)構(gòu)柱截面較大，考慮到斜吊引起的抗彎剛度大等問題，采用三點(diǎn)綁扎的直吊綁扎法。②吊裝。開始，邊柱上端受起重臂回轉(zhuǎn)升鉤的作用影響緩慢地回轉(zhuǎn)升高，確定無誤方可插入獨(dú)立基礎(chǔ)中。按照滑行法安裝時(shí)，起重臂固定，啟重鉤啟動(dòng)，緩慢吊起。鋼柱上端升高，鋼柱下端緩慢靠近基礎(chǔ)面，當(dāng)鋼柱懸掛于空，等其擺動(dòng)幅度較小且穩(wěn)定后緩慢放入基礎(chǔ)。③臨時(shí)固定與對(duì)位。對(duì)位和臨時(shí)固定時(shí)，以基礎(chǔ)頂面安裝中心線為基準(zhǔn)，確保起吊鋼柱的中心線能夠與之相匹配，輔助對(duì)孔可以依靠地腳螺栓，鋼柱垂直度必須確保滿足要求，達(dá)到基本要求后才能就位。④調(diào)正。鋼柱穩(wěn)定后，可用兩臺(tái)經(jīng)緯儀交叉調(diào)正，矯正的基本要求是平面定位準(zhǔn)確、標(biāo)高及垂直度滿足要求。⑤鋼柱固定。調(diào)正動(dòng)作結(jié)束后方可進(jìn)行鋼柱穩(wěn)固工作，將細(xì)石混凝土充盈于鋼柱下端部與基礎(chǔ)預(yù)留槽，保證鋼柱穩(wěn)定。

3.2 鋼梁施工技術(shù)

受彎構(gòu)件現(xiàn)場施工作業(yè)，有以下關(guān)鍵技術(shù)和具體要求。首先，地面拼裝之前，要確保鋼梁高強(qiáng)度螺栓連接摩擦面干凈無銹，且無雜質(zhì),表面平滑、無水漬。當(dāng)鋼梁形變滿足以上要求時(shí),才允許地面拼裝作業(yè)。拼裝時(shí)用無油枕木作為鋼梁支座，確保鋼梁的穩(wěn)定性,且在鋼梁兩側(cè)用木條作為支撐[7]。單跨梁作為屋面梁拼裝單元,應(yīng)檢查拼裝梁的直線度。調(diào)整檢驗(yàn)滿足設(shè)計(jì)要求后,高強(qiáng)度螺栓方可擰緊。其次，鋼梁最后完成之時(shí),應(yīng)保證所組裝的鋼梁編號(hào)無誤、水平與垂直方向符合要求、孔位沒有差錯(cuò)等,滿足現(xiàn)場規(guī)定，且鋼梁外表的污物、銹跡處理干凈后,才能試裝配鋼梁。試裝配動(dòng)作完成且達(dá)到施工技術(shù)要求后,對(duì)照施工圖，對(duì)比無誤后即用螺栓或焊縫將其固定完成。

3.3 鋼梁腹板開孔補(bǔ)強(qiáng)施工技術(shù)

腹板開孔補(bǔ)強(qiáng)措施見圖7，開孔位置設(shè)置在沿梁長方向彎矩較小處。補(bǔ)強(qiáng)板厚度不小于20mm時(shí)，宜采用部分熔透焊縫，并按需設(shè)置上下部豎向加勁肋；梁柱節(jié)點(diǎn)采用臨時(shí)連接板，不僅起到安裝定位固定作用，當(dāng)鋼梁腹板焊接時(shí)，還能起到焊接襯墊板作用。

圖7 鋼梁腹板開孔補(bǔ)強(qiáng)措施

鋼梁現(xiàn)場作業(yè)要滿足以下要求：首先，將鋼梁緩慢調(diào)運(yùn)到鋼柱連接點(diǎn)附近，并保證鋼梁擺動(dòng)幅度不要過高，當(dāng)梁柱連接板對(duì)位完成時(shí)，要用沖釘過孔形成對(duì)中，并將第二個(gè)連接板安放到相應(yīng)固定點(diǎn)穿入沖釘中，把梁左右端頭打緊調(diào)正，節(jié)點(diǎn)兩邊各穿入30%的螺栓長度暫時(shí)的擰緊。其次，臨時(shí)螺栓、沖釘?shù)劝卜帕繎?yīng)超過總量的1/3，并保證每個(gè)節(jié)點(diǎn)都達(dá)到要求，臨時(shí)螺栓應(yīng)超過2副及以上，沖釘占臨時(shí)螺栓的30%以內(nèi)。梁左右兩端的焊接坡口空間尺寸應(yīng)調(diào)節(jié)到位，水平尺調(diào)整鋼梁與牛腿上翼緣的水平度，確保符合規(guī)范要求，并緊固臨時(shí)螺栓。然后，鋼梁安裝按照先主梁后次梁，再次梁的原則。為了加快吊裝速度，次梁可以采用串吊方法。安裝時(shí)應(yīng)按照先安置鋼柱再放置鋼梁的原則，每一步都做好校對(duì)調(diào)正工作。以上步驟完成后，方可對(duì)螺栓進(jìn)行緊固，保證連接板高貼合度，防止更換高強(qiáng)度螺栓的步驟不能滿足要求。最后，混凝土梁與鋼柱采用牛腿形式連接,混凝土梁的鋼筋焊接在鋼柱牛腿上；剪力墻與鋼柱采用連接板形式連接,剪力墻的鋼筋焊接在鋼柱連接板上。混凝土柱縱筋被鋼牛腿截?cái)嗵?，采用連接板連接，柱縱筋焊接在鋼柱牛腿下伸的連接板上。

4 結(jié)論

采用ABAQUS數(shù)值分析等手段，對(duì)福州某醫(yī)院項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件腹板開洞等問題進(jìn)行研究，提出設(shè)計(jì)、施工建議和措施。有限元分析發(fā)現(xiàn)，鋼梁腹板開洞會(huì)導(dǎo)致洞口兩端產(chǎn)生空腹力矩，容易在洞口拐角處形成塑性鉸，最終造成鋼梁腹板剪切破壞。對(duì)此，提出了選用小截面開口尺寸，并均勻布置，避免過大的截面削弱和應(yīng)力集中等建議及措施。對(duì)于剪力較大的開孔位置，應(yīng)在開孔部位設(shè)置加勁肋，以提高鋼梁強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性。