钢结构受弯构件设计与施工技术研究——以福州某医院项目为例

林祥武

(福州建工集团有限公司，福建 福州 350004)

0 引言

钢结构建筑轻质高强、抗震性能优越、装配效率高，已在各类高层建筑中得到广泛应用[1]。为便于通风及电线和给排水管道等从梁柱构件中自由通过，通常采取钢梁腹板开孔的措施[2]，如图1所示。但开孔后的钢梁腹板截面削弱，易在开孔部位附近产生应力集中，导致屈曲破坏或剪切破坏，最终引发构件连续性破坏。

图1 工程项目中钢梁腹板的开孔

国内外学者通过大量的试验研究和有限元建模分析，研究各类腹板开孔钢梁的力学性能和破坏模式。王春刚等[3]通过试验研究和有限元分析，研究了腹板开孔槽钢梁局部屈曲问题，发现开孔对构件的受力性能有明显的削弱作用，承载力下降幅值较大，破坏位置大多发生在开孔截面处。朱群红等[4]对腹板开孔的简支钢梁进行弹性分析，发现开孔对腹板的局部屈曲有较大影响，应限制开孔部分的宽厚比。赵金友等[5]通过静力试验研究，发现开孔腹板钢梁的承载力随着孔高比的增大而减小，并讨论了腹板高度、板厚和孔高比对构件承载力的影响。江纬等[6]研究发现，腹板开孔压型钢板组合梁的极限承载力随着栓钉连接件数量的增多而提高。虽然各学者对开孔钢梁的受力性能和破坏模式进行了一系列研究，但尚未结合工程项目，针对半刚性节点处的钢梁，进行钢梁腹板开孔后的受力性能研究，缺少相关的工程建议和案例分析。

本文以福州某医院项目为例，采用ABAQUS有限元分析软件，考虑开孔热切割的残余应变，建立半刚性节点处的腹板开孔钢梁有限元模型，分析腹板开孔对钢梁等受弯构件承载性能的影响，明确钢梁腹板开孔前后的内力分布及其变化，并最终给出开孔时的施工建议和补强措施。

1 工程背景

福州某医院项目位于长乐市首占新城区，工程总建筑面积122154m2(±00以上建筑面积101854m2)，由一栋24层住院楼、一栋5层门诊医技综合楼及1层连廊、一栋5层传染病楼、一栋9层后勤保障楼、一栋2层柴油发电机及变电所、一栋1层高压氧舱、一栋1层污水处理和垃圾站、一栋1层门卫以及住院楼、门诊医技综合楼和连廊部分地下一层组成。其中住院楼建筑高度99.3m、门诊楼25.2m、后勤保障楼33.7m、传染病楼23.3m，门诊医技楼单体结构体系为装配式钢-混凝土组合结构，如图2所示。由于医院项目涉及较多的管道通风、线路连接、给排水等工程，需要对钢梁腹板进行开孔热切割处理，因此，需要着重分析开孔对钢梁受力性能的影响，给出可靠的工程建议和施工方案。

2 有限元数值分析

2.1 开孔腹板钢梁

对于医院等公共场所，房屋空间需求更大，采用腹板开孔钢梁，可以有效减少管道对建筑物空间的占用。本项目半刚性端板型节点的腹板开孔工字梁如图3所示，具体的截面尺寸与截面特性如表1所示。钢材采用Q355普通碳素钢，楼板厚度为120mm。

图2 医院效果图

图3 框架梁及洞口布置

表1 HM工字钢截面特性

2.2 开孔腹板钢梁的数值模型

考虑到对称性，建模取钢梁左侧部分，采用ABAQUS有限元进行精细化三维建模。钢材采用双折线模型，屈服应力为418MPa，屈服应变为100000微应变。有限元模型及单元划分整体如图4所示。

(a)屈服模型(b)网格划分图4 开洞钢梁单元划分

为保证结果的准确性，同时减少运算，次要部分采用C3D8I单元，主要部分采用C3D20H单元。也就是说，次要部分采用一次线性运算，洞口部分采用修正的二次插值运算。为保证衔接处计算稳定，提高精确度，采用四边形-三角形杂化的方式进行划分，见图5。

(a)腹板开洞部分(b)端板部分

2.3 开孔腹板钢梁的数值分析结果

根据有限元分析结果，当荷载达到极限承载力时，开孔部位出现应力集中，钢材屈服首先出现在开孔部位的四个角点位置(深蓝色为未屈服)，并产生较大变形，最终导致剪切破坏，如图6(a)所示。在受力机理上，钢梁腹板开洞会导致洞口两端产生空腹力矩，容易在洞口拐角处形成塑性铰，最终造成钢梁腹板剪切破坏。由于该开孔截面对承载力影响较大，不能满足项目中的钢梁承载力所需，因此需要进一步优化，即采用多个较小面积的洞口。有限元分析结果如图6(b)所示，优化后的钢梁承载力较高，应力分布均匀，开孔部位未见钢板屈服和较大的变形，构件未出现验证的破坏特性。给出的工程建议是：当开洞面积相同，荷载、跨度等外界条件相同的时候，选用均匀布置的小面积腹板开孔措施，能保证钢梁足够的承载力。对于剪力较大的开孔位置，应在开孔部位设置加劲肋，以提高钢梁强度和局部稳定性。

(a)优化前 (b)优化后图6 钢梁受力屈服变形图

3 施工关键技术

3.1 钢柱施工技术

钢结构柱首先进行安装作业，钢柱的施工质量决定了后续施工的定位精确度，并且可以防止因钢梁施工偏差引起的安装次生应力。具体安装技术要求如下：①绑扎。本工程结构柱截面较大，考虑到斜吊引起的抗弯刚度大等问题，采用三点绑扎的直吊绑扎法。②吊装。开始，边柱上端受起重臂回转升钩的作用影响缓慢地回转升高，确定无误方可插入独立基础中。按照滑行法安装时，起重臂固定，启重钩启动，缓慢吊起。钢柱上端升高，钢柱下端缓慢靠近基础面，当钢柱悬挂于空，等其摆动幅度较小且稳定后缓慢放入基础。③临时固定与对位。对位和临时固定时，以基础顶面安装中心线为基准，确保起吊钢柱的中心线能够与之相匹配，辅助对孔可以依靠地脚螺栓，钢柱垂直度必须确保满足要求，达到基本要求后才能就位。④调正。钢柱稳定后，可用两台经纬仪交叉调正，矫正的基本要求是平面定位准确、标高及垂直度满足要求。⑤钢柱固定。调正动作结束后方可进行钢柱稳固工作，将细石混凝土充盈于钢柱下端部与基础预留槽，保证钢柱稳定。

3.2 钢梁施工技术

受弯构件现场施工作业，有以下关键技术和具体要求。首先，地面拼装之前，要确保钢梁高强度螺栓连接摩擦面干净无锈，且无杂质,表面平滑、无水渍。当钢梁形变满足以上要求时,才允许地面拼装作业。拼装时用无油枕木作为钢梁支座，确保钢梁的稳定性,且在钢梁两侧用木条作为支撑[7]。单跨梁作为屋面梁拼装单元,应检查拼装梁的直线度。调整检验满足设计要求后,高强度螺栓方可拧紧。其次，钢梁最后完成之时,应保证所组装的钢梁编号无误、水平与垂直方向符合要求、孔位没有差错等,满足现场规定，且钢梁外表的污物、锈迹处理干净后,才能试装配钢梁。试装配动作完成且达到施工技术要求后,对照施工图，对比无误后即用螺栓或焊缝将其固定完成。

3.3 钢梁腹板开孔补强施工技术

腹板开孔补强措施见图7，开孔位置设置在沿梁长方向弯矩较小处。补强板厚度不小于20mm时，宜采用部分熔透焊缝，并按需设置上下部竖向加劲肋；梁柱节点采用临时连接板，不仅起到安装定位固定作用，当钢梁腹板焊接时，还能起到焊接衬垫板作用。

图7 钢梁腹板开孔补强措施

钢梁现场作业要满足以下要求：首先，将钢梁缓慢调运到钢柱连接点附近，并保证钢梁摆动幅度不要过高，当梁柱连接板对位完成时，要用冲钉过孔形成对中，并将第二个连接板安放到相应固定点穿入冲钉中，把梁左右端头打紧调正，节点两边各穿入30%的螺栓长度暂时的拧紧。其次，临时螺栓、冲钉等安放量应超过总量的1/3，并保证每个节点都达到要求，临时螺栓应超过2副及以上，冲钉占临时螺栓的30%以内。梁左右两端的焊接坡口空间尺寸应调节到位，水平尺调整钢梁与牛腿上翼缘的水平度，确保符合规范要求，并紧固临时螺栓。然后，钢梁安装按照先主梁后次梁，再次梁的原则。为了加快吊装速度，次梁可以采用串吊方法。安装时应按照先安置钢柱再放置钢梁的原则，每一步都做好校对调正工作。以上步骤完成后，方可对螺栓进行紧固，保证连接板高贴合度，防止更换高强度螺栓的步骤不能满足要求。最后，混凝土梁与钢柱采用牛腿形式连接,混凝土梁的钢筋焊接在钢柱牛腿上；剪力墙与钢柱采用连接板形式连接,剪力墙的钢筋焊接在钢柱连接板上。混凝土柱纵筋被钢牛腿截断处，采用连接板连接，柱纵筋焊接在钢柱牛腿下伸的连接板上。

4 结论

采用ABAQUS数值分析等手段，对福州某医院项目钢结构受弯构件腹板开洞等问题进行研究，提出设计、施工建议和措施。有限元分析发现，钢梁腹板开洞会导致洞口两端产生空腹力矩，容易在洞口拐角处形成塑性铰，最终造成钢梁腹板剪切破坏。对此，提出了选用小截面开口尺寸，并均匀布置，避免过大的截面削弱和应力集中等建议及措施。对于剪力较大的开孔位置，应在开孔部位设置加劲肋，以提高钢梁强度和局部稳定性。