程火焰，朱蕩蕩

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭411201）

輕鋼結(jié)構(gòu)快速發(fā)展，其結(jié)構(gòu)建筑重量輕、整體剛性好、強(qiáng)度高、變形能力強(qiáng)、節(jié)能環(huán)保、施工速度快、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)突出，致使有快速取代預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件單層廠房趨勢明顯，但在輕鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展中，還存在由局部失穩(wěn)造成整體失穩(wěn)等許多問題有待研究實(shí)踐和提高發(fā)展.了解和分析近幾年輕鋼結(jié)構(gòu)單層廠房倒塌等事故現(xiàn)象的分析，總結(jié)失穩(wěn)破壞主要因素及注意事項(xiàng).

1 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)原因分析

1.1 設(shè)計(jì)條件與實(shí)際情況不符

通過對湘潭某公司生產(chǎn)基地廠房在2008年冰雪災(zāi)害中發(fā)生主體結(jié)構(gòu)大面積坍塌事故（見圖1和圖2）進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，通過對已經(jīng)坍塌冰雪融化3天后的廠房屋頂所積冰雪的厚度進(jìn)行測試，最厚處平均深度達(dá)到150～170mm，取平均厚度為160mm，且下層的冰雪厚與上層的雪厚度對等各80mm，屋面彩色壓型鋼板按照實(shí)測的冰雪厚度（壓板頂部只按雪載考慮），經(jīng)測試換算分析，屋面每平米積冰雪重量達(dá)到93kg（其中取冰雪密度取800kg／m3，不均勻系數(shù)取0.7，雪的密度取600kg／m3）.

根據(jù)該工程設(shè)計(jì)說明（設(shè)計(jì)單位為：湘潭市建筑設(shè)計(jì)院，日期為2004年4月），其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屋面活荷載0.45kN／m2，換算為屋面每平米積活荷載為44.1kg.上述測定的屋面實(shí)際冰雪活荷載每平米93kg為設(shè)計(jì)荷載的2倍之多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)荷載的計(jì)算值.

1.2 局部失穩(wěn)導(dǎo)致整體失穩(wěn)

（1）高低跨屋面或高女兒墻使雪荷載的分布發(fā)生變化，堆雪荷載已被嚴(yán)重放大，局部荷載甚至放大了3倍，分布系數(shù)達(dá)到4.0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范要求1～2的范圍.同時(shí)天溝凍結(jié)排水不暢導(dǎo)致積雪嚴(yán)重，造成輕鋼廠房的局部破壞，當(dāng)廠房局部失穩(wěn)時(shí)，檁條拖拽與之相連的梁柱，造成廠房的整體失穩(wěn)，并非梁柱本身強(qiáng)度不夠.

在一般的鋼結(jié)構(gòu)施工中，離不開焊接技術(shù)的應(yīng)用.由此產(chǎn)生的焊接接頭在力學(xué)性能和組織上具有不均勻性等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，焊縫接頭是相對比較薄弱的部位，因此焊接接頭質(zhì)量的可靠性往往是整體結(jié)構(gòu)可靠性的決定因素，也是判定結(jié)構(gòu)可靠性的關(guān)鍵.

2 細(xì)部結(jié)構(gòu)方面對結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的影響

2.1 蒙皮效應(yīng)

維護(hù)體系在輕型鋼結(jié)構(gòu)中通常采用各種類型的夾芯鋼板或壓型鋼板.這些圍護(hù)板與檁條以及板與板之間在構(gòu)造上通過不同類型的緊固件連接起來，使這些維護(hù)結(jié)構(gòu)在一定程度上具有很大平面剛度（以檁條作為其肋），圍護(hù)系統(tǒng)與邊柱共同承受平面內(nèi)的水平荷載，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體工作性能，這種維護(hù)體系的整體效應(yīng)稱作蒙皮效應(yīng)［1］（輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)，壓型鋼板對結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)）.

一般的輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋和網(wǎng)架設(shè)計(jì)，壓型鋼板僅作為屋面、墻面等圍護(hù)體系，通常未考慮其剛度對房屋結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn).但是如果將壓型鋼板與支承壓型鋼板的結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間進(jìn)行可靠的連接，則壓型鋼板可為與之相連的受壓和壓彎構(gòu)件提供連續(xù)側(cè)向支撐，從而提高這些構(gòu)件的穩(wěn)定承載力和結(jié)構(gòu)的整體剛度.考慮蒙皮效應(yīng)就是指在建筑物表面覆蓋的屋面板和墻板后，利用其自身平面內(nèi)的剛度和強(qiáng)度對建筑物整體剛度的加強(qiáng)作用［1］，考慮了蒙皮效應(yīng)的輕鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅使結(jié)構(gòu)的受力更加符合實(shí)際情況，還可以獲得相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益.

2.1.1 蒙皮效應(yīng)的工作原理

蒙皮效應(yīng)的產(chǎn)生必須滿足以下條件：

（1）必須有足夠的梁及連接將蒙皮板所受的力傳遞到主體結(jié)構(gòu)中去；

（2）板與板之間的連接必須牢固可靠；

（3）蒙皮板與梁和檁條之間必須有足夠強(qiáng)度的連接；

（4）蒙皮板的收邊處與邊梁必須有足夠強(qiáng)度的連接以保證承擔(dān)蒙皮板作用產(chǎn)生的邊界約束力.

2.1.2 影響蒙皮效應(yīng)的因素

影響閉口壓型鋼板蒙皮單元抗剪性能主要有壓型鋼板板型、板厚、板檁連接件間距、板接縫處連接件間距、檁條間距及檁條截面尺寸六個(gè)較為明顯的因素，其中板檁連接件的間距大小以及板接縫處連接件的間距大小對蒙皮單元的抗剪性能影響最為顯著.對開口壓型鋼板蒙皮單元抗剪性能也主要有六個(gè)較為明顯的因素按強(qiáng)弱程度依次為［2］：開口周邊支撐狀況、板檁連接件的布置間距、板縫連接件的布置間距、開口位置、開口面積及開口數(shù)量，因此蒙皮結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注重開口周邊支撐加勁構(gòu)件的設(shè)置以減小開口出現(xiàn)對蒙皮效應(yīng)的降低，加強(qiáng)蒙皮單元抗剪剛度.國外文獻(xiàn)規(guī)定，開洞面積小于2%可以不必考慮對蒙皮效應(yīng)的削弱，當(dāng)開洞面積大于15%時(shí)則蒙皮效應(yīng)不可以利用，針對我國實(shí)際情況還待進(jìn)一步研究.

2.1.3 蒙皮效應(yīng)在設(shè)計(jì)和施工中的注意事項(xiàng)

2.1.3.1 蒙皮效應(yīng)在設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

（1）在蒙皮板產(chǎn)生蒙皮效應(yīng)的同時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)端鋼架的剛度和邊緣構(gòu)件的強(qiáng)度及連接，使其更好的發(fā)揮抗側(cè)移能力.

（2）因?yàn)槊善ぐ宓拈L寬比過大，會使蒙皮板的蒙皮效應(yīng)降低，導(dǎo)致蒙皮板過早屈曲，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)該選擇合理的尺寸.

（3）嚴(yán)格控制蒙皮板與檁條以及蒙皮板接縫處連接件的間距.

2.1.3.2 蒙皮效應(yīng)的施工技術(shù)控制

在施工過程中，由于結(jié)構(gòu)自重和施工荷載不斷變化，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的影響也在不斷的變化.如果在設(shè)計(jì)當(dāng)中，考慮了蒙皮效應(yīng)對整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)（在設(shè)計(jì)圖紙中應(yīng)明確標(biāo)識并不得隨意拆除），在蒙皮板未安裝完畢之前必須有嚴(yán)格的施工質(zhì)量保證體系，采取臨時(shí)的支撐措施并經(jīng)驗(yàn)算合理，方可繼續(xù)施工.

2.2 支撐和拉桿

2.2.1 支撐的布置

在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安裝要求的前提下，支撐的布置應(yīng)符合簡潔、合理、構(gòu)件的多功能性等要求.

為了確保結(jié)構(gòu)在空間上的穩(wěn)定，在每個(gè)溫度區(qū)段應(yīng)設(shè)置獨(dú)立的支撐體系，支撐體系除了考慮傳遞風(fēng)荷載，還應(yīng)照顧到施工時(shí)的需要.一般除端部設(shè)置支撐外，中間每隔5～6個(gè)開間（30～40m）應(yīng)設(shè)置一道支撐.屋蓋橫向支撐的布置應(yīng)與柱間支撐相對應(yīng).當(dāng)建筑物兩端墻的抗風(fēng)柱間距不同時(shí)，應(yīng)將屋面支撐與抗風(fēng)柱對齊，以利于兩山墻水平力的傳遞，同時(shí)檁條也應(yīng)做相應(yīng)的調(diào)整，如圖3所示.

圖3 山墻柱距不等時(shí)屋面支撐布置圖

2.2.2 支撐的形式

支撐在建筑中很常見，按其形式可分為交叉支撐、V型支撐、八字支撐、人字支撐、門式支撐、K型支撐等，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況，尋求合理、經(jīng)濟(jì)的支撐形式.

2.2.3 支撐節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)（如圖4所示）

圖4 支撐節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

專用的鍥型墊圈適合于不同尺寸的支撐，安裝簡捷方便但制作繁瑣，適宜于標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn).同時(shí)鍥型墊塊也可用角鋼代替，通過切肢來滿足不同尺寸的支撐.安裝調(diào)試完畢，螺母擰緊后，對絲口進(jìn)行打毛以防止螺母松動.

支撐的連接一般在梁、柱的腹板上開孔，然后用墊塊和螺母固定.由于腹板的厚度較薄，在支撐處應(yīng)力比較集中，腹板存在屈曲的可能性，因此對開孔處腹板應(yīng)采取局部加厚或設(shè)置加勁肋等措施.

2.3 隅撐

2.3.1 隅撐對輕鋼廠房抗震性和穩(wěn)定性的影響

隅撐是指連接鋼梁和檁條的接近45°方向斜撐（在梁上的連接點(diǎn)靠近梁的下翼緣板），它通過連接屋面檁條、墻面圍梁和鋼架梁、柱受壓翼緣板或腹板（如圖5所示），起到遠(yuǎn)端翼緣板平面內(nèi)支座作用，減小翼緣板平面外計(jì)算長度，從而阻止構(gòu)件側(cè)向失穩(wěn).同時(shí)隅撐也是一種新型的耗能構(gòu)件，在彈性階段，隅撐支撐主要為結(jié)果提供抗側(cè)移剛度，承擔(dān)豎向荷載.在彈塑性階段，隅撐發(fā)生屈曲，通過塑性變形來抵消地震能量，使廠房的主要構(gòu)件免受損害.

圖5 隅撐的連接

2.3.2 隅撐的設(shè)計(jì)與要求

隅撐支撐框架（knee－braced frame，KBF）的設(shè)計(jì)原理和偏心支撐框架（EBF）有很多相同之處，但KBF有其獨(dú)特的優(yōu)勢［3］：一方面，隅撐屬于次要構(gòu)件，便于更換，而EBF的耗能梁段的更換有很大的難度.另一方面，當(dāng)隅撐形成塑性鉸之后，由于支撐跨的梁柱剛接和隅撐的作用，梁柱節(jié)點(diǎn)處的彎矩仍較小，梁柱節(jié)點(diǎn)暫不會形成塑性鉸，使得支撐跨框架仍具有一定的抗側(cè)剛度，因此KBF框架比EBF框架后期剛度更有利.這種細(xì)部結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)對建筑物整體結(jié)構(gòu)在大震情況下不倒塌具有極其重要的意義.

（1）幾何布置：考慮到結(jié)構(gòu)的層高絕一般在3～4m，參考已有的研究成果，要求隅撐的布置應(yīng)滿足如下的條件：b／B＝h／H＝0.2～0.4，當(dāng)層高較大時(shí)取較小值.

（2）隅撐截面形式：隅撐作為KBF中的重要構(gòu)件，通過隅撐的塑性變形來提供框架結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力.由于隅撐處不便設(shè)置橫向支撐，所以隅撐的截面應(yīng)具有較大的平面外回轉(zhuǎn)半徑.隅撐采用箱形截面最為合適，當(dāng)條件限制時(shí)，寬翼緣H型鋼也是可以采用的截面形式.

（3）隅撐長度：隅撐的長度和截面尺寸影響著框架橫向剛度和強(qiáng)度，為了確保隅撐的平面外穩(wěn)定性，隅撐與梁柱之間的連接應(yīng)采用剛接，所以隅撐的長度應(yīng)根據(jù)兩端固定并形成較好的剪切型塑性機(jī)構(gòu)來確定.

①對于工字形截面，隅撐的凈長為：

②對于箱形截面隅撐，長度為：

式中bf，tf，d ，tw分別是隅撐翼緣寬度、厚度、截面高度和腹板厚度，fy是隅撐的屈服應(yīng)力，Mpf是隅撐只考慮上下翼緣的屈服彎矩，Vpw是隅撐腹板剪切屈服時(shí)的剪力，如果隅撐內(nèi)的軸力較大，則

同樣隅撐的長度也可以根據(jù)EBF工字形截面剪切型耗能梁段的凈長度要求來計(jì)算.

式中：Mpk是隅撐全截面塑性彎矩，Vpk是隅撐截面腹板屈服的剪力.

（4）為了保證主支撐桿－隅撐體系的平面外穩(wěn)定性，主撐桿和隅撐以及梁柱之間的連接宜采用剛接，且細(xì)部構(gòu)造應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中，在條件允許的情況下，盡量采用螺栓連接，確保強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，便于震后的修復(fù)和提高抗震性能.

（5）在樓層平面內(nèi)，隅撐和梁的連接節(jié)點(diǎn)，宜采用水平隅撐，將縱向梁與框架梁相互支撐，這既保證了縱向梁和橫向框架梁負(fù)彎矩區(qū)的穩(wěn)定性，同時(shí)也是KBF本身的需要.

3 結(jié)論與建議

鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題區(qū)別于強(qiáng)度問題.其基本構(gòu)件的穩(wěn)定性問題，是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一.本文通過對湘潭風(fēng)光汽車有限公司江南汽車九華生產(chǎn)基地廠房及近幾年輕鋼結(jié)構(gòu)單層廠房倒塌事故現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析.提出以下幾點(diǎn)結(jié)論與建議：

（1）從輕鋼廠房設(shè)計(jì)和施工的角度分析，影響輕鋼廠房穩(wěn)定性的因素主要包括：外界荷載條件超過了結(jié)構(gòu)承載力的要求、工程施工質(zhì)量控制的缺陷以及結(jié)構(gòu)的局部破壞導(dǎo)致廠房的整體失穩(wěn).

（2）在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮蒙皮效應(yīng)對廠房穩(wěn)定性的貢獻(xiàn).這樣不僅有利于結(jié)構(gòu)的受力而且可以獲得相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益.

（3）應(yīng)充分考慮支撐、拉桿和隅撐對廠房整體結(jié)構(gòu)的作用.

［1］ 季 淵，童根樹.輕鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力蒙皮設(shè)計(jì)研究綜述［J］.工業(yè)建筑，2002，32（12）：61－63.

［2］ 鄭 瑾.輕鋼建筑圍護(hù)體系蒙皮效應(yīng)的試驗(yàn)及理論研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

［3］ 童根樹，黃金橋.隅撐支撐框架結(jié)構(gòu)的性能及其設(shè)計(jì)方法［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2008（5）.

［4］ 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)指南［M］.中國建筑工業(yè)出版社，1996.

［5］ 陳 驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)［M］.科學(xué)出版社，2003.

［6］ 祖 炎.鋼結(jié)構(gòu)學(xué)［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2005.