高层装配式钢框架柱垂直度偏差影响分析与处理

任 彧 林祯杉 吴雨君 颜建填

(1.福建建工装配式建筑研究院有限公司 福建福州 350001;2.福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来，我国民用建筑中，钢结构得到更加广泛的应用，但是受到产业发展水平的限制，施工单位技术水平良莠不齐，施工安装偏差超过规范限值的情况屡有发生。近年来，在钢框架柱垂直度偏差领域，国内学者开展了系列研究。刘文政等[1]对已建成的多层钢框架结构柱身垂直度偏差影响分析的结果表明：结构整体性能影响小，部分竖向构件作用效应增加，但仍可达到规范要求。易方民等[2]利用SATWE和ETABS分析了某超高层钢结构柱垂直度偏差的影响，结果表明，对整体结构与构件承载力的影响均较小。杨德洪等[3]结合某超高层钢结构，比较了一次性纠偏与渐递性纠偏两种方案，最后采用一次性纠偏方案，取得了良好的效果。

本文拟利用有限元方法，对出现框架柱垂直度大偏差的某高层钢框架结构的各项性能指标进行分析，并提出一种兼具安全性和经济性的节点加强措施，可靠地实施了主体结构一次性纠偏。

1 工程概况

图1 整体结构模型

某医疗工程为地下1层，地上9层的钢框架结构，建筑总高度37.95 m。地下室层高6 m，首层层高5.4 m，二、三层层高均为4.5 m，其他层层高均为3.9 m，如图1所示。主要设计参数如下：抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，特征周期0.35 s，阻尼比0.04。基本风压0.35 kN/m2，场地粗糙度类别为B类。

该工程在二层楼承板混凝土浇筑完成后，发现相当比例的钢柱垂直度偏差显著超出规范限值。随后进行的沉降观测和现场踏勘结果显示，不存在地基基础不均匀沉降，主体结构未出现开裂、变形等现象。据此，可以初步判断，钢柱倾斜是由于钢结构施工未遵循现行规范的相关要求。

鉴于问题发现的较为及时，且现场具备进行整改的物资条件，综合考虑安全、工期和成本等因素，参建各方决定在确保结构安全的前提下，通过纠偏与加固的方式，对钢框架柱垂直度偏差问题进行处理。

2 柱垂直度偏差情况

设计团队对现场提供的垂直度偏差实测值，运用数据可视化技术进行了分析，对偏差的空间分布和数值分布进行了研判。根据《钢结构工程施工质量验收规范》GB20205[4]的相关规定，钢柱垂直度偏差限值为10 mm。二层钢柱顶部偏差值分布如图2所示，可以看出：(1)钢柱偏差值超过规范限值的数量比例，X向为49%，Y向为66%；(2)X向、Y向的超限部分偏差值主要集中30 mm～60 mm区间；(3)Y向整体偏差大于X向，X向柱最大偏差值为75 mm ；Y向柱最大偏差值为90 mm。

(a)X向偏差值 (b)Y向偏差值

(c)总体偏差平面分布

3 钢柱垂直度偏差影响分析

3.1 对结构整体的影响分析

该项目采用YJK软件进行结构设计，为复核钢柱垂直度偏差影响，以节点偏移方式，按偏差实测值输入计算模型。暂按一次性纠偏方案进行其他楼层的坐标修正。由于本工程钢结构加工方案中单节框架柱为两层高，偏移模型中坐标偏移值在二层楼面处最大，在四层楼面及以上位置恢复正常，在一层及三层处按层高进行线性插值。

表1为结构自振周期对比，以及1.0D+1.0L组合下的屈曲模态分析对比。对比结果显示：部分楼层框架柱倾斜，使得结构的自振周期略有缩短，但最大变化率仅1.3%，结构的整体振动特性未发生明显改变；屈曲因子减小的最大率为0.5%，整体结构的整体稳定性能未发生明显变化。

此外，YJK构件验算结果显示：斜柱模型的构件应力未出现显著增加，钢框柱最大应力比为0.80，钢框梁最大应力比为0.84，构件承载力均符合规范要求。

表1 YJK结构自振周期、屈曲因子对比

3.2 对构件的影响分析

重力荷载作用下，钢柱垂直度偏差将使柱在重力荷载下产生附加弯矩ΔM，如图3所示。以偏差最大的5轴框架为例，使用SAP2000程序进行内力分析(考虑P-Δ二阶效应)，四层以下受钢柱倾斜影响较大区域的框架梁柱的弯矩和应力比改变率如图4～图5所示，从图中可以看出：

(1)柱端弯矩变化率相对较大(最大为160%)，但应力比变化率较小，不超过9%；

(2)梁端弯矩变化率和应力比变化率均在20%以内。

图3 钢柱垂直度偏差引起附加弯矩

(a)柱端弯矩变化 (b)梁弯矩变化

(a)柱应力比变化 (b)梁应力比变化

构件应力详细检查结果显示：由于底部楼层钢柱为小偏压构件，其应力比主要由轴力控制(约占90%)，垂直度偏差引起的附加弯矩对钢柱的承载力影响并不显著。框架梁由于参与了偏心附加弯矩的内力分配，因此，框架梁的应力比略有放大。原始设计中钢框架柱的应力比<0.75，钢框梁的应力比<0.8，且钢框梁应力比变化幅度最大的位置，钢梁的原始应力相对较小。因此，在考虑偏心附加弯矩的情况下，结构有足够的安全度。

3.3 对结构抗震延性的影响分析

使用SAP2000软件，对钢框架进行静力弹塑性Pushover分析,如图6～图7所示。钢框架铰均采用FEMA356的自动铰，其中钢柱铰为P-M2-M3铰，钢框梁为M3铰，铰属性指定的相对距离均采用距起始端0.1和0.9。以G=D+0.5L作为非线性Pushover工况的初始条件，采用模态1施加侧向荷载，荷载施加控制方式为监测位移控制，顶点位移加载到总高度的0.04倍。罕遇地震的阻尼比取0.05，特征周期取0.40 s。

计算结果显示：对于考虑垂直度偏差的倾斜模型，塑性铰先出现在梁上，且在梁铰充分发展后出现柱铰。在纠偏处理后，框架结构整体性和屈服机制没有明显改变，塑性发展仍符合预期，满足“强柱弱梁”的结构设计原则。钢框架能力谱与罕遇地震需求谱相交的性能点为Sa=116 mm，Sd=136g(g=9.8 N/mm2)，对应顶点位移为210 mm，层间位移角H/180，远小于罕遇地震下层间位移角H/50的限值。

(a)初期 (b)中期 (c)后期

图7 能力谱与需求谱曲线

4 节点加强措施

YJK与SAP2000的分析结果均表明，采用一次性纠偏方案的结构的受力性能，与原结构在整体性能上基本一致，在构件层次上符合现行规范的相关规定，具有技术可行性。为进一步提高节点的整体性，保证偏心附加弯矩作用下的有效传力，对垂直度偏差超出规范限值的楼层框架节点均按图8进行加强。该补强构造可明显提高节点和梁端抗弯承载力，对建筑功能影响小，实施方便、具有较好的工艺性。

图8 梁端加固大样

本文利用钢结构节点有限元分析软件IDEA对加强节点进行了分析。IDEA可以进行节点强度分析、节点刚度分析、构件能力设计、节点设计抗力、稳定分析等，目前已经在国际上广泛应用于复杂节点的结构设计与研究。

梁柱节点分析以钢柱为支承构件，钢梁牛腿为加载构件，在梁端施加荷载。材料参数如下：钢材强度等级Q345B，焊条材料E50。通过M-φ曲线计算相邻构件在节点处的连接刚度，进而判断该节点是铰接、半刚接或刚接。通过迭代加载的方式，分析节点的最大承载能力。

应用IDEA软件，对加强前后的节点进行建模分析，如图9所示。结果显示：加固后梁端极限抗弯承载力提高约15%，且梁柱节点核心区未进入屈服状态。由M-φ相关曲线(图10)可发现，节点加固前后均达到刚接条件，加固后的节点刚度明显提高，梁端的节点刚域扩大，整体性和可靠性均显著提高。

(a)梁端加固前 (b)梁端加固后

图10 梁端M-φ相关曲线

5 纠偏技术措施

为确保纠偏工作的顺利实施，设计施工团队制定了详细的纠偏专项施工方案。主要步骤包括：(1)复测钢柱偏位值，获得准确的实际偏差；(2)根据实际情况建立纠偏深化模型，并调整构件加工；(3)钢框架安装时，以中间位置为初始核心框架，准确安装固定后，再向外延伸；(4)观测钢柱偏位无误后，进行梁柱节点焊接；(5)焊接完成后再次复测偏位，并按一级焊缝进行100%探伤；(6)钢框架全部安装完成后，再进行次梁、楼承板施工。

其中，核心框架安装次序如图11所示。先后固定4个钢柱及相应钢框梁，通过调节工装，调整钢柱垂直度，如图12所示。利用平面拉杆、柱支撑进一步固定后，再向外延伸安装。为减少误差累计影响，共设置3组核心框架，进行分区域安装。

施工团队严格按照纠偏方案，在四层楼面位置完成一次性纠偏。复测结果显示，所有钢柱最终偏位均小于10 mm，纠偏效果良好。此外，检测单位提供的焊缝外观及探伤结果显示，焊缝也均符合规范要求。目前本项目主体结构已通过验收，后续观测结果均未出现异常。

图11 核心钢框架安装示意 图12 钢柱侧向支撑示意

6 结语

本文对存在框架柱垂直度大偏差的某高层钢框架结构进行了多维度的分析，结果表明：

(1)当局部楼层框架柱整体发生倾斜时，如其上部楼层的框架柱定位已恢复至规范偏差后，主体结构的整体振动特性和整体稳定性变化很小；

(2)整体倾斜楼层的框架梁柱应力比略有上升，需要谨慎地进行复验；

(3)在确保构件性能的前提下，局部倾斜框架在罕遇地震下的性能指标影响不大；

(4)建议对整体倾斜楼层的梁柱节点进行补强，增强整体性。