楊全全

（甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

施工質(zhì)量問題普遍存在于各種工程項目中，有的質(zhì)量問題不僅不滿足施工質(zhì)量驗收規(guī)范中允許偏差的要求，而且一定程度上會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力不足、影響構(gòu)件安全性；有的質(zhì)量問題僅是不能滿足施工質(zhì)量驗收規(guī)范中允許偏差的要求，一般情況下不會引起構(gòu)件承載力不足，但會形成薄弱點，當(dāng)存在此類質(zhì)量問題的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在某種非正常荷載或者非設(shè)計荷載作用下，往往會造成構(gòu)件破壞以及工程事故的發(fā)生。本文以某鋼結(jié)構(gòu)框架工程為實例，對該工程中一根存在工程質(zhì)量缺陷的鋼框架柱在非設(shè)計荷載下發(fā)生破壞的原因進行了分析。

1 工程概況

某工程為地上三層鋼框架，框架柱采用焊接方形鋼管，框架梁采用 H 型截面，樓、屋面板均采用壓型鋼板與鋼筋混凝土現(xiàn)澆板的組合樓板。一層層高為 6.5 m，二層、三層層高均為 5.5 m，室內(nèi)外高差 0.15 m，房屋高度為 17.65 m，結(jié)構(gòu)平面布置示意圖如圖 1 所示。該工程所處場地屬嚴(yán)寒地區(qū)，建筑抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計基本地震加速度值為 0.1g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，特征周期為 0.45 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為 0.035；抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙）類。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為 50 年，框架抗震等級為三級。上部結(jié)構(gòu)嵌固端為包腳頂面?；A(chǔ)采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，持力層土質(zhì)為天然地基，以圓礫層為持力層，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級。鋼結(jié)構(gòu)及所有節(jié)點板均采用 Q235 級鋼。節(jié)點螺栓連接采用 10.9 級摩擦型高強螺栓，焊縫連接中所有對接焊縫以及坡口焊縫均為一級熔透焊縫，焊縫采用 E43 型焊條手工焊。該工程鋼結(jié)構(gòu)及現(xiàn)澆樓板完工后，因某種原因停工一年準(zhǔn)備復(fù)工時，施工單位發(fā)現(xiàn)一層 4×A 軸線框架柱根鋼板間焊縫開裂，如圖 2 所示。

圖1 某工程 1～3 層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 某工程方形鋼管柱焊縫處開裂

2 現(xiàn)場檢測與調(diào)查

2.1 工程質(zhì)量檢測

1）結(jié)構(gòu)布置核查與檢測。根據(jù) GB 50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》［1］及 GB/T 50621-2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［2］的規(guī)定，現(xiàn)場分別對該工程結(jié)構(gòu)布置進行核查、對軸網(wǎng)尺寸及層高進行檢測。結(jié)果表明，該工程結(jié)構(gòu)布置、軸網(wǎng)尺寸及層高均符合設(shè)計要求。

2）鋼構(gòu)件尺寸檢測。根據(jù) GB/T 50621-2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，采用鋼卷尺、游標(biāo)卡尺以及超聲波板件測厚儀等儀器對該工程鋼構(gòu)件截面尺寸、板件厚度進行了檢測。檢測結(jié)果表明，該工程鋼構(gòu)件截面尺寸、板件厚度均滿足設(shè)計要求及 GB 50205-2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》的允許偏差要求。

3）節(jié)點連接檢查。經(jīng)現(xiàn)場檢查，該工程框架柱與主梁間、主梁與次梁間節(jié)點螺栓連接以及柱腳連接形式均滿足設(shè)計要求。

4）焊縫開裂柱檢測。經(jīng)檢測，該工程一層 4×A 軸線框架柱柱根位置焊縫處開裂，開裂長度 600 mm，最大裂縫寬度 4 mm，開裂處鋼板出現(xiàn)局部屈曲，如圖 2 所示。采用全站儀對框架柱變形進行觀測。首先對該柱頂點側(cè)向位移進行觀測，結(jié)果表明該柱未出現(xiàn)明顯傾斜。然后對框架柱相鄰柱基沉降差進行觀測，結(jié)果表明 4×A 軸線框架柱處地基無明顯不均勻沉降。

5）焊縫尺寸及質(zhì)量缺陷檢測。在焊縫開裂處測得焊縫寬度 12 mm、高度為 4 mm，方形柱鋼板間采用半熔透焊縫，柱截面示意圖如圖 3 所示。在該框架柱焊縫未開裂處采用超聲波探傷檢測方法對該焊縫內(nèi)部缺陷進行檢測，檢測結(jié)果表明該框架柱鋼板間對接焊縫存在嚴(yán)重缺陷，如夾渣、未熔合、未焊透等，焊縫質(zhì)量等級評定為三級。檢測結(jié)果表明，該方形框架柱鋼板間焊縫形式、焊腳高度及焊縫質(zhì)量等級均不滿足設(shè)計要求。

圖3 1 層 4×A 框架柱截面及焊縫示意圖（單位：mm）

2.2 現(xiàn)場調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，該框架柱在鋼結(jié)構(gòu)完工后停工一年期間未發(fā)生集中堆載等情況，僅承受主體結(jié)構(gòu)傳遞的恒荷載。根據(jù)施工方介紹，在停工期間，鋼管柱頂端未封堵，且經(jīng)歷強降雨天氣，部分屋面排水灌入鋼管柱內(nèi)，在大多數(shù)鋼管柱內(nèi)形成積水?，F(xiàn)場通過對未開裂鋼管柱內(nèi)積水高度測量后表明，鋼管內(nèi)積水高度約 550～650 mm。該工程位于嚴(yán)寒地區(qū)，最冷月平均溫度為-15 ℃，停工一年期間經(jīng)歷了冬季。

經(jīng)現(xiàn)場檢測及調(diào)查，初步判斷該鋼管柱焊縫處開裂與焊縫質(zhì)量問題和冬季管內(nèi)積水結(jié)冰引起的凍脹力有關(guān)。

3 鋼管柱開裂原因分析

為準(zhǔn)確分析該工程一層 4×A 軸線方形鋼管框架柱開裂的原因，首先采用 PKPM 軟件建立上部結(jié)構(gòu)三維計算模型，計算出該框架柱在實際恒荷載作用下的構(gòu)件內(nèi)力。然后采用通用有限元軟件 ABAQUS 模擬分析該柱實際受力狀態(tài)下的截面應(yīng)力。

3.1 構(gòu)件內(nèi)力計算

通過采用 PK PM 三維整體模型計算得出，在僅考慮樓面恒荷載及構(gòu)件自重作用下，一層 4×A 軸線框架柱反彎點位于柱高度范圍內(nèi)、距柱底 1/3 柱高（取 2.15 m）處，荷載引起的框架柱內(nèi)力為：軸向壓力N=703 kN，沿橫向框架方向（Y向）的水平剪力V=28.2 kN，柱底繞X軸彎矩M=60.6 kN·m，沿縱向框架方向內(nèi)力較小，可以忽略不計。

3.2 截面應(yīng)力計算

本文采用通用有限元軟件 ABAQUS，采用三維實體單元分別創(chuàng)建鋼板及焊縫部件，建立框架柱反彎點以下部分的有限元模型，如圖 4 所示，模型信息如下所述。

圖4 ABAQUS 模型

1）材料屬性。鋼材采用雙折線模型，即彈性段（oa）和強化段（ab）。fy為鋼材的屈服強度，Es為鋼材初始彈性模量；強化段的模量可取 0.01Es，如圖 5 所示。屈服強度fy=235 MPa，抗拉強度fu=370 MPa，彈性模量Es=206 000 MPa，泊松比ν=0.3，線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5；對接焊縫抗拉強度fu=415 MPa［3］。

圖5 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖

2）模型加載。框架柱內(nèi)力通過在模型頂部施加水平向集中力V=28.2 kN 和豎向集中力N=703 kN 進行模擬。管內(nèi)積水結(jié)冰過程中，對鋼管壁產(chǎn)生 5.33～10.54 MPa 的均勻壓力［4］，模型中按 3.0 MPa 的內(nèi)壓進行模擬試算，凍脹力作用范圍取柱底以上 600 mm 內(nèi)。根據(jù)模型加載的不同，分別建立兩個模型，模型一僅施加集中力；模型二同時施加集中力和水結(jié)冰產(chǎn)生的凍脹力。

經(jīng)計算分析，該柱在集中力作用下，鋼板截面最大應(yīng)力為 65.56 MPa，焊縫最大應(yīng)力為 61.65 MPa，均小于其各自的抗拉強度，應(yīng)力云圖如圖 6 所示。在集中力和凍脹力共同作用下，鋼板截面最大應(yīng)力為 330.0 MPa，焊縫最大應(yīng)力為 481.6 MPa，應(yīng)力云圖如圖 7 所示。

圖6 柱內(nèi)力作用下鋼管柱應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7 考慮凍脹力時鋼管柱應(yīng)力云圖（單位：MPa）

3.3 原因分析

根據(jù)焊接方形鋼管柱在集中力和凍脹力作用下截面應(yīng)力的計算分析結(jié)果可知，該鋼管柱在實際豎向恒荷載產(chǎn)生的內(nèi)力作用下，雖然焊縫質(zhì)量不滿足設(shè)計要求，但鋼板和焊縫截面應(yīng)力遠小于其各自抗拉強度，未達到破壞程度。在集中力和凍脹力共同在作用下，焊縫最大拉應(yīng)力為 481.6 MPa，大于焊縫的極限抗拉強度 415 MPa，且早于鋼板達到極限抗拉強度，首先破壞，與工程實際情況相符。

4 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場檢測及有限元計算分析結(jié)果，經(jīng)綜合分析，結(jié)論如下。

1）焊縫高度及質(zhì)量等級不滿足等質(zhì)量問題造成該框架柱焊縫對鋼板不能形成良好的連接，不能達到焊縫與母材等強，在構(gòu)件受力過程中形成薄弱部位，很大程度影響構(gòu)件的承載能力。

2）因施工和停工過程中對鋼構(gòu)件的維護不當(dāng)，造成鋼管柱內(nèi)大量積水，歷經(jīng)寒冬，積水結(jié)冰后體積膨脹，對鋼管壁產(chǎn)生較大的壓力，在鋼板及焊縫內(nèi)部形成較大應(yīng)力，最終因焊縫應(yīng)力大于其抗拉強度而破壞、開裂。Q