钢结构安装偏差对结构性能影响

刘振伟

中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司

钢结构安装偏差对结构性能影响

刘振伟

中建二局安装工程有限公司廊坊钢结构分公司

钢结构工程从建设用材料到施工整个过程都涉及到产生偏差的一些原因，因此，建设安装偏差对于钢结构来说是难以避免的。本文对钢结构安装偏差对结构性能影响进行分析探讨，仅供参考。

钢结构；加工安装；结构性能；影响因素

加强钢结构工程施工质量的控制，对保证钢结构工程实现预期的目标具有十分重要的意义，所以下文对安装偏差进行分类与分析。

1 钢结构安装偏差分类

1.1 单层钢结构安装偏差

1.1.1 单层钢结构偏差1

在《验收规范》附录E.0.1(单层钢结构中柱子安装的允许偏差)中对柱脚底座中心线对定位轴线的偏移量的规定允许偏差△为5mm，检验方法为用吊线和钢尺检查。

图1 单层柱脚偏差图

在这个规定中可以发现所规定的限值与钢柱地脚螺栓的允许偏差不太相符，因在GB50205的第10.2.2中允许的地脚螺栓偏差为5mm，预留孔中心偏差为10mm。在极端情况下就可能造成柱脚无法安装。

1.1.2 单层钢结构偏差2

在《验收规范》附录E.0.1(单层钢结构中柱子安装的允许偏差)中对单层钢结构柱弯曲矢高的偏移量规定允许偏差f为H/1200(mm) (H为单层钢结构柱柱高)且不应大于15mm。

1.1.3 单层钢结构偏差3

在《验收规范》附录E.0.1(单层钢结构中柱子安装的允许偏差)中对单层钢结构柱轴线垂直度的偏移量规定(H均为单层钢结构柱柱高)：

单层柱：

H≤10m，单层钢结构柱轴线垂直度允许偏差为H/1000(mm)；

H＞10m，单层钢结构柱轴线垂直度允许偏差H/1000(mm)，且不应大于25mm；

多节柱：单节柱，单层钢结构单节柱柱轴线垂直度允许偏差H/1000(mm)，且不应大于10mm；

柱全高，单层钢结构多节柱柱全高柱轴线垂直度允许偏差35mm。

1.1.4 单层钢结构偏差4

在《验收规范》表10.3.4(单层钢结构整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差)中对单层钢结构主体结构整体垂直度的偏移量△规定：允许偏差为H/1000(mm)(H为单层钢结构主体结构的高度)，且不应大于25mm。

1.2 多层钢结构安装偏差

1.2.1 多层钢结构偏差1

在《验收规范》附录E.0.5 (多层及高层钢结构中构件安装的允许偏差)中对多层钢结构上下柱连接错口偏移量的规定允许偏差△为3mm。

1.2.2 多层钢结构偏差2

在《验收规范》附录E.0.5(多层及高层钢结构中构件安装的允许偏差)中对多层钢结构同一根梁两端顶面高差偏移量的规定：允许偏差△为l/1000(mm)(l为钢结构梁跨度)，且不应大于10mm。

图2 多层钢结构梁顶面高差偏差图

1.2.3 多层钢结构偏差3

在《验收规范》表多11.3.2(多层钢结构柱子安装的允许偏差)中对多层钢结构柱子定位轴线偏移量的规定允许偏差△为1mm。

图3 多层钢结构柱子定位轴线偏差

1.2.4 多层钢结构偏差4

在《验收规范》表11.3.5(多层钢结构整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差)中对多层钢结构主体结构整体垂直度偏移量的规定：允许偏差△为(H/2500+10)(mm)(H为多层钢结构主结构高度)，且不应大于50mm。

2 钢结构安装偏差产生初应力对结构性能的影响

对于单层单跨钢结构的加工和安装偏差的影响，除了需要考虑单种偏差的作用，还应当考虑多种偏差同时出现的可能以及可能的影响。因此这里提出在钢结构的加工和安装中各种可能偏差的组合。

通过对9m、12m、18m跨度的安装偏差进行分析，在没有偏差的情况下屈曲荷载系数分别为1.9987、1.3507和1.2096，同时考虑偏差以后对弹性稳定影响最大偏差组合为左柱柱脚偏差、右柱柱脚偏差和柱轴线垂直度偏差同时出现，9米跨度屈曲荷载系数为1.8941，使屈曲荷载减小5.23%，12米跨度屈曲荷载系数为1.3024，使屈曲荷载减小3.58%，18米跨度屈曲荷载系数为1.25，使屈曲荷载减小1.25%；同时随着跨度增加，偏差对结构弹性稳定的影响越来越小，这主要原因是随着跨度增加，结构截面面积和刚度的增大，使偏差对结构弹性稳定的影响减小，一般来说，对结构最大应力和变形的影响相对较小的是初变形的偏差，此时，可以对只产生初变形时的偏差带来的结构性影响不予考虑。

对结构进行特征值屈曲分析时，在稳定平衡状态，根据势能驻值原理，考虑轴向力或者中面内力对弯曲变形的影响，可以得到结构的平衡方程：

上式中{P}是结构节点荷载向量；{U}是结构节点位移向量；{KG}是结构几何刚度矩阵，也可以叫做初应力刚度矩阵；{KE}是结构弹性刚度矩阵。此式也可以作为结构几何非线性分析的平衡方程。

根据势能驻值原理，要得到结构随遇平衡状态，使结构势能二阶变分等于零：

在上式中，结构弹性刚度矩阵[KE]是已知的，而外荷载也就是要求的屈曲荷载，所以结构几何刚度矩阵[KG]是未知的。为了求的该结构的屈曲荷载，可以任意假设一组外荷载为{P1}，相对应的结构几何刚度矩阵是[K1G]。假设结构屈曲时，荷载是{P1}的λ倍，所以结构几何刚度矩阵[KG]=λ [K1G]，从而式(2)可以转化为：

将上式(3)改写为特征值方程：

上式(4)中，λi是结构第i阶特征值；{φi}是与λi相对应的特征向量，也是相对应的结构该阶屈曲荷载时结构的变形形状，即结构的屈曲模态或者结构的失稳模态。

在用有限元进行结构特征值屈曲分析时，给出的结果是λi，即结构第i阶屈曲荷载系数，即为结构第阶的屈曲荷载。单层单跨钢结构和单层双跨钢结构高度、跨度、截面的选取以及荷载的取值都和对结构应力影响计算时一样；在建模时，对单层单跨钢结构和单层双跨钢结构梁的平面外支撑，除了9米跨是在梁端和中间设置外，其他跨度的梁均是每个米设置一个。

3 结束语

本文对于单层单跨和单层双跨钢结构安装产生初应力的偏差及偏差组合，不仅计算了对结构弹性稳定的影响，而且对结构非线性稳定的影响的研究更具有实际意义；对于单层单跨和单层双跨钢结构安装只有初变形的偏差及偏差组合，只是计算了对结构几何非线性稳定的影响，而没有考虑材料非线性，故对结构材料非线性的影响需要进一步的计算。

[1]李晓娟，王新堂，顾强等考虑初弯曲的半刚接钢框架稳定承载力分析[J].工程力学，2009，26(3)：113-117.

[2]张才柱.门式刚架安装偏差的有限元仿真分析[D].太原理工大学，2012.