门式轻钢结构检测鉴定中几个问题的探讨

李新泰 王合乾 焦 平

(1.山东省建筑科学研究院，山东 济南 250031;2.烟台市地震局，山东烟台 264000)

0 引言

门式刚架轻型房屋钢结构是单层工业厂房中常见的结构形式，这类结构以其用钢量少、重量轻、造价低、施工速度快、适用范围广等优点获得了广泛应用。由于对轻钢结构的不熟悉和使用不当，使工程的安全度降低、存在结构安全隐患，本文根据现场检测鉴定过程中遇到的问题，提出认识和建议。

1 平面结构体系现场判定

轻钢结构事故发生的原因体现在设计方面，主要表现在:设计中存在一系列不符合设计规范和规程的技术错误，主要包括计算简图的选取和实际情况不符，支撑系统的设置不符合规范要求，构造措施不符合规范要求和加工制作方面的缺陷。

门式刚架结构一般为有多余约束结构体系，对于无设计图纸及其他资料的工程，在现场检查过程中，可根据结构力学二元体规则(即将二元体的两端铰与任意体系相连，不改变原体系的自由度。显然，从任意体系上拆除一个二元体也不改变原体系的自由度。在任意体系上依次增加，或依次拆除二元体，原体系的自由度数不变)和拆除约束法(对于有多余约束的几何不变体系，可以用去掉约束的方法，使体系成为无多余约束的几何不变体系，所去掉的约束数就是原体系所具有的多余约束数)，对复杂结构或采用格构式构件的轻钢结构快速判断结构体系是否为几何可变体系或几何不变体系[1]。

在运用规则过程中，首先应对钢节点性质进行判定。如图1所示为门式刚架斜梁与柱常见的连接形式[2]，加劲肋、节点域、端板及螺栓布置等还需满足相应的构造要求，图2中柱顶端板横放，两侧均与斜梁通过4M20螺栓连接，两侧梁端中间作为排水沟，无法形成节点域，且梁柱节点无法作为刚性连接;图3为梁端与柱侧焊接的支撑板通过焊接连接，梁中心线与支撑板中心线没有对齐，无法形成节点域，无法作为梁柱刚性节点，均视为铰接。由于柱脚为两对螺栓的铰接柱脚，该结构体系为几何可变体系。应对节点进行处理以满足刚性节点(实际端板连接并非完全刚性连接)要求，图2的连接处理方式应考虑排水的要求，避免后续积水对房屋使用造成影响。

端板连接节点需要靠端板的紧密结合和高强螺栓的正常工作。现场检查过程中，发现高强螺栓终拧扭矩、螺栓丝扣外露扣数不满足GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范的要求、端板之间存在空隙等情况，由此造成的问题是刚架无法形成刚性节点，平面内刚度降低，对结构的受力和正常使用造成影响。检测过程中，有必要检查高强螺栓终拧扭矩。对于终拧扭矩满足要求而螺栓丝扣外露扣数不满足要求的，可能由于端板厚度根据规程确定[2]，由于焊接后板件变形使得端板留有缝隙、涂层、制作误差所致，且端板连接主要技术关键是保证高强螺栓的预拉力从而保证节点刚度，对于螺栓丝扣外露扣数要求可放宽。

图1 门式刚架斜梁与柱的连接

图2 梁柱节点无法形成节点域，非刚性节点

图3 梁端与柱端端板连接，非刚性节点

2 端板连接节点形式

刚架构件的端板连接需要符合强连接弱构件的原则，端板连接仅可以按照受到的最大内力设计(使用阶段为刚性连接，而在罕遇地震作用下处于弹塑性工作状态为半刚性连接，连接变形利于地震能量的吸收)，考虑抗震的刚节点要求要低(对构件连接应进行两阶段设计，首先是按照构件承载力进行连接的弹性承载力设计，最后是进行连接的极限承载力设计[3])，当节点域厚度不满足规范要求时，应加厚腹板或设置斜加劲肋。腹板加厚可按GB 50011-2010建筑抗震设计规范的8.3.5条文说明的要求施工，当确有困难或采用轧制型钢时，可采用节点域贴焊补强板加强，但对于已经投入使用的结构，节点补强由于受到施工空间(如系杆与节点域焊接的端板连接，吊顶等)和使用条件的限制变得比较困难，也可考虑增加梁端高度(加腋)或改成楔形梁来增大节点域体积(同时需要增加节点区加劲肋)。

3 空间整体稳定及蒙皮效应

门式刚架为平面受力结构体系，平面外的荷载需要靠各种支撑体系解决。屋面横向水平支撑和柱间支撑用以解决平面外荷载、刚度和稳定问题。由于轻型门式刚架结构的屋面和墙面围护板具有一定的蒙皮效应，使得钢结构体系具有一定的空间效果。但蒙皮效应发挥的作用由于屋面板连接、开洞和构造等方面的原因，不宜定量考虑。

在现场检测过程中，刚架平面外的刚度和稳定问题主要根据刚架的侧向位移、系杆和支撑的端部连接构造等得以体现。图4，图5是某厂房由于未设置屋面支撑和柱间支撑，檩托处螺栓缺失，造成平面外刚度较弱，根据对刚架柱垂直度的抽查，实测垂直度偏差远超垂直度允许偏差。该工程应在加设屋面支撑和柱间支撑的同时考虑纠偏刚架，以形成空间稳定的结构体系。在纠偏过程中应注意根据现场条件和施工图要求，制定施工组织设计，安排好安装顺序，施工中及时注意刚架固定，避免发生事故。

图4 某厂房屋面布置

图5 某厂房檩条与檩托未连接

4 连续檩条的选取

由于不少工程采用连续斜卷边Z形钢檩条，认为连续檩条比简支檩条可减少最大弯矩20%左右，挠度大为减少，获得了较好的经济效益，连续檩条在钢梁处连续，搭接长度需要满足设计要求，螺栓孔对位对加工制作及施工要求较高，在搭接嵌套处存在一定的松动滑移，支座处有部分弯矩转移至跨中，在支座处为双截面，具有双倍于跨中单檩条的承载能力，控制设计为跨中的截面[4]。由于连续檩条支座为负弯矩，下翼缘受压，屋面板和拉条位于上翼缘附近，对下翼缘的约束作用减少，应加强支座处屋面板与檩条的约束作用，使支座处檩条与具有蒙皮效应的屋面板形成约束，并增设位于下翼缘附近的拉条，可改善檩条的受压性能。在现场检测过程中，存在搭接长度的不足、搭接端螺栓的缺失的情况(如图6所示)，形成连续檩条的刚度条件太弱。

5 超规范荷载和结构安全

门式刚架轻型房屋没有更多承载能力富余量去对付超标准的荷载效应，应关注风、雪荷载效应问题。如关注风吸力作用下构件及连接的性能、高低不平处堆积雪造成檩条压垮引起刚架失稳倒塌等情况。

在利用PKPM软件STS模块进行门式刚架二维设计过程中，雪荷载没有得到反映，在檩条设计中得到体现[4]。当采用压型钢板轻型屋面时[2]，屋面竖向均布活荷载的标准值(按水平投影面积计算)应取0.5 kN/m2。注:对受荷水平投影面积大于60 m2刚架构件，屋面竖向均布活荷载的标准值可取不小于0.3 kN/m2。由于轻钢结构对雪荷载比较敏感，大雪压垮轻钢厂房例子较多，应充分考虑雪荷载对刚架尤其是檩条的荷载效应。一旦出现较大的雪荷载就会危及结构的安全(多数是局部檩条承担的荷载超过设计值，檩条压垮屋盖梁失去侧向支撑作用，失去整体屋面蒙皮效应而导致整体刚架倒塌[5])。从安全角度考虑，对雪荷载较大的地区，应考虑后续施工、恶劣天气的影响，应增加结构的安全储备，而不是一味追求经济效益。对于可能积雪的位置局部加强设计(檩条加密、加强檩条与屋面板的连接等)，同时考虑屋面雪荷载不均匀分布。

在较大风吸力作用下(如台风)屋盖被掀起的事故常有发生，在施工过程中较大的风载也会对安全形成威胁，也会给后续的刚架纠偏等工作造成困难。在风吸力作用下，屋面檩条的下翼缘受压，如屋面檩条下翼缘无加劲肋和侧向支撑，致使檩条发生失稳破坏。在设计过程中，应注意到GB 50009-2001建筑结构荷载规范(2006版)整体计算时不考虑风振系数和阵风系数，台风的脉动效应产生的瞬时风压较基本风压大，导致风荷载设计偏小。对于围护结构的计算应根据文献[2]相关规定确定。对于实腹式檩条在风吸力作用是稳定计算时拉条的设置位置，存在两种观点[6]:1)拉条宜在檩条的上、下翼缘附近适当布置;2)仅在檩条的上翼缘附近设置拉条，下翼缘受压时可通过稳定计算满足。作者认为应增加冗余约束，布置备用的传力途径，下翼缘受压时通过稳定计算，翼缘附近适当布置拉条可作为安全储备(如图7所示)。对于较大风载下柱脚螺栓被拔起导致房屋倒塌的情况，应注意柱脚锚栓的抗拔力计算和设计。

图6 连续檩条搭接长度不足，螺栓缺失

图7 下部拉条作为安全储备

对于无多余承载能力的门式刚架轻钢结构，应增加安全储备，并针对超规范荷载采取有效措施，避免由于屋面次结构失效引起结构的连续倒塌。

6 结语

1)端板连接节点需要靠端板的紧密结合和高强螺栓的正常工作，否则无法形成刚性节点，影响结构强度的发挥、刚度的形成。需要加强节点时，要考虑加强施工空间和使用情况。2)现场检测鉴定过程中，应加强细部构造的检查。3)蒙皮效应不宜定量考虑，空间结构的形成需要考虑各种支撑体系解决。4)不应一味追求经济效益，应增加结构安全度，抵抗超规范荷载，避免结构连续倒塌。

[1] 驭 球，包世华.结构力学教程(Ⅰ)[M].北京:高等教育出版社，2000:22-28.

[2] CECS 102∶2002，门式刚架轻型房屋钢结构技术规程[S].

[3] 朱炳寅.建筑抗震设计规范应用与分析[M].北京:中国建筑工业出版社，2011:423-424.

[4] 钢结构CAD软件STS用户手册(2010版)[M].北京:中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部，2011:90-92.

[5] 陈友泉，魏潮文.门式刚架轻型房屋钢结构设计与施工疑难问题释义[M].北京:中国建筑工业出版社，2009:91-92，155.

[6] 汪一骏.轻型钢结构设计指南(实例与图集)[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社，2006:305.