高耸钢结构柱的安装变形分析.pdf

广移槭糖建设 高耸钢结构柱的 1工程案例 1999年8月1日，在某钢管厂 30t电炉炼钢主厂房工 程的建筑 工地，施工单位技术人员发现，该 工程C列钢柱垂直度出现较大偏 差，钢 柱顶部 水平 位 移达到 20mm 一 31mm，超出规范要求。 当 天风力1 ～ 2级 ，后来经测量人员 加强观测后发现，中午以前钢柱 向西侧偏移，下午向东侧偏移，连 续几天均依此规律变动，且晴天 位移较大，阴天则较小；白天位移 较大，夜间则较小。 该工程C列钢柱，高31 ．5m，单 重约30t，采用大地脚螺栓，固定 在群桩独立柱基上，钢柱采用焊 ●黄万平 [摘要]本文对高耸钢结构柱 的变形原因进行了分析，确认 日照引起的 温差是导致钢结构柱出现较大位移 的主要 原因，并建议在施工安装过程 中应重视对安装时间的选择，以便较 好地控制高耸钢结构安装质量。 [关键词]钢结构柱；热变形；施工安装 [文章编号]1672 70 45200904 一 00 95 一 03 [中图分类号]T U758 ．II [文献标识码]B 接H型钢组合格构式钢柱。柱截 面尺寸长2 ．15m，宽0．75m，牛腿标 高20 ．5m。 柱安装质量良好，柱底 四角标高误差在0 ．5mm之内，安装 时钢柱垂直度偏差均控制在允许 偏差范围内。 为什么经规范安装的钢柱会 变形并发生水平位移笔者将对 钢柱变形原 因逐 一 进行分析与探 讨。 2钢柱弯曲变形的影响因素 分析 2．1两个假设前提 由于实测变形细节较复杂， 温度差沿截面和高度都不均匀， 加之 风荷载作用，因此该变形具 有某种随机性，且是空间变形，严 格计算比较困难，我们只能根据 最大偏移进行推算。假设变形呈 平面弯曲，作近似验算；温差引起 变形，各种结构都存在，只是钢结 构导热系数偏大，钢柱热变形明 显，使人产生几点疑问①倾斜是 否来 自质量 问题；②如属温度变 形，截面上有无温度应力。由于 钢柱安装时无其他约束，我们假 设钢柱处于无应力温度场状 态， 可约略假设其温差呈线性分布， 钢柱在太阳辐射作用下，产生温 度变形，结构上最不利的温度分 布来自太阳辐射的朝阳面与背阴 面温差影响。 城旗建 设 2 ． 2 弯曲变形影响因素 2 ． 2 ． 1 风荷载 由风力产生的风压引起钢柱 弯曲变形。钢柱安装在钢筋混凝 土基础上， 用8 个地脚螺栓固定， 可视为 固定端悬臂梁， 根据材料 力学公式， 在风荷载作用下， 钢柱 位移为 f -- o l ／ s E 式 中 g 风荷 载根 据风 速、 构筑物的高度 、 体型、 地面粗 糙程度等因素确定； f _ 柱高度3 1 ． 5 m ； 卜钢材 弹性 模量 2 ． 0 ～ 2． 1 x 1 0 M P a； 卜 钢柱截面惯性矩。 经计算约为2 ． 0 m m 。 2 。 2 ． 2 钢柱 固有 的振 动 由于风荷载的脉动， 钢柱将 产生 自振振幅， 根据钢结构基本 自振周期经验公式和定点位移法 结构 自振周期公式 f O ． 0 0 7～ 0 ． 0 1 3 H T I 7 a * 瓜 式中 自振周期； _ 钥 柱的高度 m ； 口 L取 0 ． 6 0 ． 7 ； △ 钢柱顶点总位移。 经过计算， 其柱顶点总位移 为 1 ． 2 m m 。 2 ． 2 ． 3 安 装偏差 施工中存在安装偏差。根据 规范要求， 该值引起的位移允许 偏差 为H ／ l O O O 且不大于 2 c m ， 由 于在全高范围内不是单向弯曲， 所以最终偏差位移是可控的。 2 ． 2 ． 4 太 阳辐射热 变形 钢柱向阳面和背阴面的温差 引起 钢柱 的弯曲将 随时间而波 动， 其位移达到较大的程度， 经测 量钢柱顶部最大位移为 3 1 ． 2 m m ， 其位移情况随温度的变化而变化 见表 1 ， 钢柱顶中心实测水平位移 轨迦呵 见图1 。 该工程于 2 0 0 1 年建成投产使 用， 钢结构厂房使用正常。 根据梁纯弯理论公式可知 d ／ AT 1 一 ～ 一 d h p 式中 梁高； △ 卜温差； 钢材温度变形系数； d 、， ／ ／ A T 积分 ， 口 T 再积分 由地面悬臂梁 垂直方向 ， 水平方向Y ， 坐标原点位于基础顶 面 边界条件定积分常数， 则x O ， y O ， B O d 、 ， 则 O ， _ 0 ， A o 地面视为固定端 由此可得 。 ， ／ C AT 丘x 对钢材来说， 长边为2 ． 1 5 m ， 短边为0 ． 7 5 m ； 当最大温差 一 T - Z I T 1 5 从 表1 钢柱顶部随温度变化发生位移情况表 垂直度偏差 测量温度 测点 测点时间 线向 列向 垂直度位 背阴面 向阳面 温差 备注 序号 ra m ra m 移 ra m ℃ ℃ ℃ 1 8 3 O 一1 5． 3 1 5． 0 2 1． 4 22 3 3 1 1 2 9 3 0 2 8． O - 4． O 2 8． 2 3 0 4 4 1 4 3 1 0 3 0 -2 7． 5 1 O． O 2 9． 2 3 2 45 1 3 4 八 1 1 3 0 1 4 ． O 1 3． 5 1 9 ． 4 3 3 4 5 1 2 5 月 1 2 3 0 - 8 ． 0 8 1 1 ． 3 3 2 4 3 1 1 线 向 6 为南北向； f_ 1 4 3O 1 6． 8 6 1 7． 8 3 3 45 1 2 列 向为东 7 日 1 5 3 O 5 1 8 1 8 ．7 3 2 4 3 1 1 西 向 ；东 8 1 6 3O 一1 O 1 5 1 8 31 4 2 1 1 向、 北向为 9 1 7 30 -1 0 1 3 1 6． 4 3 0 41 1 1 正 ； 西 向 、 1 O 1 8 30 1 3 2 0 2 3． 8 2 4 3 9 1 5 南向为负； 1 1 8 3 O ～1 6． 2 1 5． 1 22． 1 2 8 3 9 1 1 钢柱 1 ． 0 I Il 1 2 9 3 O 一 3 1 - 4 ． O 3 1 ． 2 3 0 4 5 1 5 处 温 度 测 1 3 1 0 3 0 - 2 9 ． 0 - 4 ． 5 2 9 ． 3 3 5 4 5 1 O 点； 向阳面 1 4 八 1 1 3 0 1 5． 0 1 O ． 5 1 8． 3 3 3 4 4 1 l 4 O 一 4 5℃ 1 5 月 1 2 3 0 1 5 ． O O ． O l 5 3 2 4 l 9 1 6 背阴面2 2 l 4 3 O 1 6． O 5． 5 1 6． 9 3 2 4 6 1 4 35℃ 。 1 7 日 l 5 3 O 9 ． O 1 9 ． O 2 1 ． O 3 2 4 5 l 3 1 8 l 6 3 O 一8． 5 1 3． O 1 5． 5 3l 4 2 l l 1 9 l 7 3 O -9． O 1 0． 5 1 3． 8 3 0 3 9 9 2 0 1 8 3 0 一l 4 1 7 2 2． 0 2 5 3 8 1 3 测量 熊屹 复核 株鹏 记 录 黄万平 测温 龙润志 广 城掳建设 圈l C列7 线钢柱顶 中心实测水平位移轨迹 图 测量成果表中查得 按平面假定估算柱顶变形位 移 厂 帖 2 1． 2 1 0 x 1 5 x 315 000 2 X 2． 5 0 厶 ， - - 41． 5m m 计算值与实测值最大变形位 移3 1 ． 2 m m 有 出入， 原因是由于实 际温差沿全高温度梯度的影响， 计算时按恒定值计算； 截面便或 钢柱受位移偏差、 风振等复杂 因 素影响， 理论计算值难以正确地 同实测值对比； 但从工地实测变 形中扣除稳定摆动变形等后， 数 发生倾斜， 热变形是高耸钢结构 倾斜的主要原因。 3 结语 由于钢结构安装时受太阳辐 射影响， 发生较大变形， 因此在施 工安装校正， 特别是在重要的高 耸钢结构安装及垂直度校核过程 中， 应尽可能安排在 阴天或夜间 进行。此期间钢结构处于热变形 稳定期， 为减少温差因素对变形 的影响， 我们应选择在这一时间 施工， 以便能较好的控制高耸钢 结构安装的质量。 参考文献 【 1 ] 陈忠范． 高层建筑结构[ M ] ． 南京 东南大学出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 2 】 G B 5 0 0 0 9 - 2 0 0 1 ， 建 筑结构 荷载规范【 s 】 ． [ 3 】 G B 5 0 2 0 5 - 2 0 0 1 ， 钢结 构工 程施工质量验收规范[ s 】 ． 作者简介 值相差应该不大。 黄万平， 深圳市招诚建设监 由于钢结构 比热较小， 导热 理有限公司总监理工程师。 系数较大， 对温度影响较敏感， 受 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 1 1 太阳辐射发生的弯曲变形可能超 过其允许值， 但一般不属于质量 问题， 而是正常的物理现象， 因 此， 不应误认为是地基沉降或安 装时垂直度控制质量出现问题。 严格来说， 温度沿截面变化 是非线性的， 变化并不剧烈， 可假 设其为线性膨胀， 弯曲及 自约束 应力等三部分模型， 其中 自约束 应力一般较小， 可以忽略。因此， 此类高耸钢结构在太阳辐射作用 下， 其纵向温度变形几乎是 自由 的， 约束应力基本不存在， 结构将