某超长悬挑结构的施工事故原因分析

潘　宁　陈　辉　刘怀斌

(四川省建筑科学研究院，四川成都　610081)

某超长悬挑结构的施工事故原因分析

潘宁陈辉刘怀斌

(四川省建筑科学研究院，四川成都610081)

摘要:以某大跨钢框架结构项目为例，针对该项目施工中屋盖悬挑钢梁时出现扭转、弯曲变形的情况，采用原设计PKPM模型与SAP2000模型进行整体结构对比验算，并运用ANSYS对相关构件进行应力分析，对比分析表明，结构整体计算基本正确，悬挑梁的应力满足材料强度要求，但整体变形不满足规范要求。

关键词:事故构件，模型对比，有限元，荷载，应力

1　工程概况

该项目抗震设防烈度为7度，属于重点设防类，为二层钢框架结构，框架抗震等级为二级，结构高度17.2 m，屋盖悬挑最大长度为16.5 m，项目施工过程中安装屋面悬挑梁时出现扭转、弯曲变形，现场工程施工图见图1。

2　整体模型分析

2.1原设计存在的问题

图1　现场工程施工图

1)原设计中基本风压取值0.2 kN/m2，根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范的规定，该项目应取0.3 kN/m2;计算书风荷载信息中:结构X向基本周期、结构Y向基本周期均为0.26 s，与结构计算周期不一致; 2)原设计中阻尼比取值为0.05，根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范的规定，该项目为钢结构，应取0.04; 3)原设计模型按平面屋顶计算，未按实际坡度建模。

2.2 SAP2000模型计算条件

本次校核计算所采用的结构布置、构件尺寸、材料强度、边界条件等均依据原设计图和计算书进行。鉴于原设计存在上述考虑不周之处，因此在校核计算中采用以下计算条件:

1)基本风压取值0.3 kN/m2; 2)阻尼比取为0.04; 3)依据计算图纸，屋面恒载取0.3 kN/m2，屋面活载取0.5 kN/m2; 4)按屋面设计坡度建模分析; 5)其余验算条件按原设计图取值。

2.3整体模型校核

原设计采用PKPM软件进行计算，未考虑实际坡度。为了校核原设计，采用三维计算分析软件SAP2000进行建模分析，并考虑屋面坡度，其计算模型更接近真实设计结构。SAP2000模型见图2。

图2　SAP2000整体模型

两软件结构模型的前三阶模态的自振周期均非常接近，模型总质量基本相同，详见表1，表2。

表1　模型结构周期对比

表2　模型结构质量对比

对比分析表明:两结构模型的动力特性接近，整体模型考虑无明显缺陷。

3　悬挑构件分析

3.1应力比分析

3.2构件位移、挠度分析

“我介意。但为了梁儿，我可以不介意。你去看看他吧，我真替他担心，如果你还有人性，希望你能可怜可怜他对你的一片真情。”他表露出了无助无奈的一面，留下地址，然后离开了。

按照设计文件，对结构取屋面活荷载0.5 kN/m2，恒荷载0.3 kN/m2进行垂直方向的位移分析。

根据GB 50017—2003钢结构设计规范附录A结构或构件的变形容许值规定，部分悬挑钢梁的挠度容许值不满足要求。计算结果见表3，悬挑构件均为口型钢，悬挑构件编号见图3。

4　事故构件分析

为了进一步验证事故结构的计算结果，采用有限元程序ANSYS进行了事故构件局部计算校核，具体分析如下。

4.1计算模型

计算模型如图4所示，计算选取了部分悬挑结构作为计算单元，选取依据是施工单位反映该部分在施工中出现扭转，为便于表达将目标构件进行编号示于图中，其中梁2对应图3中②号梁，梁3对应图3中③号梁。

表3　各构件位移计算值及限值对比

图3　悬挑构件编号图

图4　计算模型

模型边界条件为在框架梁与框架柱相交节点处的设置为嵌固端，认为框架梁与框架柱节点满足刚接条件。

模型荷载条件为: 1)从屋面结构布置形式可以看出，屋面板为单向板，因此将原设计中的恒载标准值0.3 kN/m2与屋面活载标准值0.5 kN/m2按照从属面积大小以线荷载形式施加在结构次梁上; 2)封口梁荷载以集中力形式施加在悬挑梁端部。

模型计算工况为: 1)荷载基本组合; 2)荷载标准组合; 3)施工荷载组合。

4.2荷载基本组合结果

荷载基本组合工况对应于承载能力极限状态，本次分析中主要考察目标构件的应力情况，见表4，应力满足要求。

表4　荷载基本组合工况下最大应力及应力比

4.3荷载标准组合结果

荷载标准组合工况对应于正常使用极限状态，主要考察目标构件的变形情况，见表5。

4.3.1梁1变形

梁1的变形结果如图5所示，图中可以看出梁1最大变形值较小，最大变形位置为梁中部。

表5　荷载标准组合工况下最大变形

4.3.2梁2变形

梁2的变形结果如图5所示，图中可以看出梁2最大变形值为60.2 mm，最大变形位置为梁悬臂端，与表6.2.3中计算结果61 mm相符。GB 50017—2003钢结构设计规范附录A中A.1.1的规定:楼(屋)盖梁在永久和可变荷载标准值作用下产生的挠度值应为l/250，l为受弯构件的跨度(对悬臂梁为悬伸长度的2倍)。梁2长度8 106 mm，按上述规定计算所得挠度限值为61 mm，满足要求。

图5　标准荷载作用下梁变形图

4.3.3梁3变形

梁3的变形结果如图5所示，图中可以看出梁3最大变形值为178.9 mm，最大变形位置为梁悬臂端，与表6.2.3中计算结果180 mm相符。GB 50017—2003钢结构设计规范附录A中A.1.1的规定:楼(屋)盖梁在永久和可变荷载标准值作用下产生的挠度值应为l/250，l为受弯构件的跨度(对悬臂梁为悬伸长度的2倍)。梁2长度11.38 m，按上述规定计算所得挠度限值为88 mm，不满足要求。

4.4施工荷载工况

为了保证施工过程的安全，本次分析对施工过程进行了模拟。施工单位表示施工中最大的施工荷载为三个工人同时在一根悬挑梁上作业，现考虑每根悬挑梁梁端施加3 kN集中荷载。上述施工荷载与恒载进行组合，不与屋面活载同时考虑。

4.4.1梁1应力与变形

梁1的应力结果如图6所示，图中可以看出梁1最大应力值为44.6 MPa，最大应力位置为梁端，应力比0.14，在安全范围之内。梁1的变形结果如图6所示，图中可以看出梁1最大变形值为2.43 mm，最大变形位置为梁中部。

4.4.2梁2应力与变形

梁2的应力结果如图6所示，图中可以看出梁2最大应力值为54.1 MPa，最大应力位置为梁悬臂端，应力比0.14，在安全范围之内。梁1的变形结果如图6所示，图中可以看出梁2最大变形值为54.7 mm，最大变形位置为梁悬臂端。

图6　施工荷载作用下梁的应力及变形图

4.4.3梁3应力与变形

梁3的应力结果如图6所示，图中可以看出梁3最大应力值为94.2 MPa，最大应力位置为梁悬臂端，应力比0.31，在安全范围之内。梁3的变形结果如图6所示，图中可以看出梁3最大变形值为146.4 mm，最大变形位置为梁悬臂端。

5　结语

根据该项目结构设计等相关资料，并采用PKPM，SAP2000，ANSYS等软件进行对比计算，结合类似工程经验进行综合分析，结论如下:

1)原设计中杆件应力设计满足要求。

2)原设计悬挑部分有部分杆件变形验算不满足GB 50017—2003钢结构设计规范中挠度限值要求，导致施工中出现变形过大，扭转、弯曲变形。

3)应对悬挑部分结构的刚度进行加强或减小悬挑长度以满足要求，施工过程中应严格控制高空作业人数。

参考文献:

［1］GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准［S］.

［2］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

［3］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.

［4］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.

［5］王新敏.ansys工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

·岩土工程·地基基础·

Analysis on construction accident causes of the extra-long cantilever structure

Pan Ning Chen Hui Liu Huaibin
( Sichuan Academy of Building Science，Chengdu 610081，China)

Abstract:Taking the project of large-span steel frame structure for example，according to the situation of reverse and bending occurs when cantilevered roof girder construction process，compare the original design PKPM model with the overall structure SAP2000 model，and using ANSYS stress analysis of the relevant member，comparison shows that the overall structure model is basically correct，stress of cantilevered beams meet material strength requirements，but overall deformation does not meet specifications.

Key words:accident member，model comparison，FEM，load，stress

作者简介:潘宁(1989-)，男，助理工程师;陈辉(1988-)，女，助理工程师;刘怀斌(1988-)，男，助理工程师

收稿日期:2015-11-25

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0039-03

中图分类号:TU375

文献标识码:A