摘　要：论文针对钢结构加工和安装过程中可能出现的偏差，归纳了现行《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）中规定的对于结构性能可能有影响的偏差类别。提出了考虑主要偏差类型及组合下的单层单跨结构性能的分析。论文主要考虑这些加工安装偏差组合的安装应力影响，几何位移影响，同时还考虑了在外荷载以及考虑加工安装偏差下对于结构稳定性的影响。分析结果对于钢结构的加工制作以及施工控制都具有重要的实际意义。

关键词：单层钢框架；加工安装；偏差组合；有限元分析

钢结构具有重量轻、强度高、工业化程度高、抗震性能好、施工速度快且可循环使用等多种优点。在现代工业厂房、大跨度建筑以及高层建筑中被广泛应用。然而，也正是由于钢结构的材料强度高，钢结构的构件截面相对较小，钢结构构件常表现长、薄、柔、细等的特点。而为了节约钢材的用量，钢结构在设计时一般对截面强度利用比较充分，构件的“应力比”比较大。所以，钢结构对加工安装中的几何偏差、局部应力、腐蚀等敏感性比较强。所以加强钢结构工程施工质量的控制，保证钢结构工程实现预期的目标具有十分重要的意义。

由于《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）（以下简称为验收规范）只给出了工程验收合格的标准，而没有关于在加工和安装偏差情况下的影响、评定，钢结构工程在施工过程中可能出现的各种缺陷对于结构性能的影响缺乏相应的了解，这就有可能造成在实际工程中对于钢结构的加工和安装过程中出现的误差等质量问题处理不当，而造成很大浪费，或者成为安全隐患。所以加强对钢结构工程的施工质量控制，了解各种质量问题、各种缺陷对于结构性能的影响具有十分重要的实际意义。

1 验收规范对于加工和安装偏差的分类

1.1 与单层框架结构相关的偏差

根据施工验收的规定[1]，钢结构工程在加工和安装过程可能出现的各种偏差，按照单层、多层加以区分。这里将对结构性能有直接影响的偏差进行归类[2]，以便于了解各种偏差的影响。

1）单层钢结构偏差1。

在验收规范中对单层钢结构柱子安装的允许偏差为柱对柱脚底座中心线定位轴线偏移量的规定，见图1,允许偏差⊿为5mm。

图1  单层柱脚偏差图

这个规定的限值与钢柱地脚螺栓的允许偏差是不协调的，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。

2）单层钢结构偏差2

在验收规范中，对于单层钢柱的安装弯曲矢高的偏移量规定为不超过偏差H/1200(mm)（H为单层钢结构柱柱高）且不应大于15mm。

3）单层钢结构偏差3

在验收规范中对于单层钢柱轴线垂直度的偏移量规定，对于单层柱：H≤10m，单层钢结构柱轴线垂直度允许偏差为H/1000（mm）（H均为单层钢结构柱柱高）；当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，见图2。

对于多节柱有类似的规定。

图2 单层柱轴线垂直度偏差图

4）单层钢结构偏差4

在验收规范中，对于梁类构件的侧向弯曲矢高的允许偏差（l为单层钢结构梁的跨度）：

l ≤30m，允许偏差为l/1000（mm），且不应大于10mm；

30m< l ≤60m，允许偏差为l/1000（mm），且不应大于30mm；

l >60m，允许偏差为l/1000（mm），且不应大于50mm。

5）单层钢结构偏差5

在验收规范中，对于钢屋架、桁架、梁及受压杆件垂直度和侧向弯曲的允许偏差如图3所示，为h/250(mm)(h为梁高)，且不应大于15mm。

图3 单层钢结构梁跨中垂直度偏差图

6）单层钢结构偏差6。

在验收规范中中，对于单层结构整体垂直度允许偏差△允许值为：H/1000(mm)(H为单层钢结构主体结构的高度)，且不应大于25mm，见图4。

图4 单层钢结构整体垂直度偏差图

7）单层钢结构偏差7。

在验收规范中，对于单层结构整体平面弯曲的允许偏差△规定：允许偏差为l/1500(mm)(l为单层钢结构主体结构的长度)，且不应大于25mm。

归纳对于单层钢结构加工和安装偏差：偏差1到偏差5都是单个构件引起的加工和安装偏差；偏差1一般是在钢结构安装过程中出现；偏差2一般是在钢结构加工过程中出现；偏差3和偏差4在钢结构加工和安装过程中均有可能出现；而偏差6和偏差7是钢结构在安装出现的偏差。

2 加工安装偏差组合及其对于单层单跨钢框架结构受力性能的影响

2.1 单层框架结构相关的偏差的组合

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[2]。这种偏差组合一种是产生初应力的影响，如：在实际安装过程中，柱脚底座中心线对定位轴线产生偏移，同时梁出现侧曲等。而出现这些情况时采取强迫就位措施，这时就会产生初应力。而初始偏差的另一种影响是不产生初应力，就是不强迫就位进行安装，这时的主要影响是结构位移的影响。这两种影响的组合，本文进行分别讨论。

单层单跨钢结构加工和安装产生偏差组合原则：按工程中可能同时出现的可能性，将各种偏差产生的效应进行叠加，但为了简化分析，对于单个构件，对上述的7种偏差不同时出现，寻找最不利的初偏差组合。

根据对于单层结构的初步分析，单层单跨框架结构加工和安装产生初应力偏差的组合，主要是柱脚底座中心线对定位轴线产生偏移，即偏差1；柱轴线垂直度偏差，即偏差3；梁侧向弯曲矢高偏差，偏差4。进行组合。对于各种偏差需要考虑左右不同方向。在进行组合时，按照组合后产生的初应力最大为原则进行偏移。这样可以得到可能产生不利影响的初偏差组合主要有下面8种：

组合1：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构右柱柱脚偏差；

组合2：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构柱轴线垂直度偏差；

组合3：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合4：单层单跨钢结构柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合5：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构右柱柱脚偏差+单层单跨钢结构柱轴线垂直度偏差；

组合6：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构右柱柱脚偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合7：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合8：单层单跨钢结构左柱柱脚偏差+单层单跨钢结构右柱柱脚偏差+单层单跨钢结构柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差。

对于只有初始位移没有初始应力的偏差，对于结构性能影响较大的，与有初始应力的类似，将主要有影响的组合列出，也有8种，包括：

组合1：单层单跨钢结构左柱柱弯曲矢高偏差+单层单跨钢结构右柱柱弯曲矢高偏差；

组合2：单层单跨钢结构左柱柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构右柱柱弯曲矢高偏差；

组合3：单层单跨钢结构左柱柱弯曲矢高偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合4：单层单跨钢结构左柱柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构右柱柱轴线垂直度偏差；

组合5：单层单跨钢结构左柱柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合6：单层单跨钢结构左柱柱弯曲矢高偏差+单层单跨钢结构右柱柱弯曲矢高偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差；

组合7：单层单跨钢结构左柱柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构右柱柱弯曲矢高偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差

组合8：单层单跨钢结构左柱柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构右柱柱轴线垂直度偏差+单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差。

2.2 偏差及偏差组合应力影响分析

对于为了分析各种偏差组合的影响，这里参照工程中门式刚架常用的几何尺寸作为参考尺寸。为了简化分析，这里只考虑等高、梁柱截面为等截面的框架。

对于单层单跨钢结构加工和安装偏差产生附加应力的计算采用大型有限元分析软件ANSYS进行建模计算，建模计算采用的单元均是梁单元beam188；对于单元的划分，用四边形单元划分网格，采用映射网格划分。单层单跨钢结构柱脚连接均是刚接，柱与梁连接均是刚接。对于单层单跨钢结构柱脚偏移和梁侧向弯曲矢高偏差，在ANSYS建模计算时均是通过施加位移荷载的方式来实现；而对于柱轴线垂直度偏差，在是通过采用施加温度变形的方式来实现。

这里以一30m×9m单层单跨钢结构为典型研究对象[3]，柱和梁的截面均采用H型钢，其中柱的截面尺寸为1018×250×10×18，梁的截面尺寸为979×220×10×18。

1）30m×9m单层单跨钢结构偏差1即柱脚底座中心线对定位轴线的偏移量取值为5mm。

2）30m×9m单层单跨钢结构偏差3即柱轴线垂直度的偏移量取值为9mm。

3）30m×9m单层单跨钢结构偏差4即梁侧向弯曲矢高的偏移量取其验收规范规定的最大允许值l/1000=30mm＞10mm，取最大允许值为10mm。

计算在上述三项初始偏差下，结构的初始应力以及这三项初始偏差组合作用下（共有8种组合）的初始应力（安装应力），得到表1。在表1中，为了反应各种偏差及偏差组合作用的影响，对于该单层框架结构按实际工程中的参数施加荷载，从而可以得到各种偏差影响的大小。

1）由表1可以看出，单层单跨钢结构加工和安装偏差组合产生初应力最大的组合为偏差组合8，最大初应力出现在左柱脚；偏差组合产生的最大初变形也均为偏差组合8，最大初变形均出现在梁跨中。所以在单层单跨钢结构施工过程中应尽量避免组合8即左柱柱脚偏差、右柱柱脚偏差、柱轴线垂直度偏差及梁侧向弯曲矢高偏差同时出现。

表1 30mX9m单层单跨钢结构框架初始偏差组合的影响

注：正值（最大应力）为压应力值，负值（最小应力）为拉应力值。

2）由表1可以看出，偏差组合5和偏差组合8产生的附加初应力均都相等，位置都为左柱脚，而偏差组合8比偏差组合5多了一项偏差4（单层单跨钢结构梁侧向弯曲矢高偏差），可见偏差4对单层单跨钢结构柱脚应力几乎没有影响，而对单层单跨钢结构的最大变形影响比较大。

3）相对于不考虑偏差影响的情况，单一种偏差产生的附加应力最大增加了6.93%，而如果考虑偏差组合情况，最大附加应力增大了10.59%。可见，对于单层框架偏差组合相对于单个偏差增加影响量增加了52%。

2.3 偏差及偏差组合对于框架稳定性的影响分析

这里主要是计算钢结构加工和安装偏差产生初应力对钢结构弹性稳定的影响。在用有限元分析钢结构加工和安装产生初始偏差对结构稳定性的影响时，主要是求出，结构在各种偏差及其各种偏差组合存在的情况下，结构的第一阶模态的屈曲荷载系数；通过对屈曲荷载系数的比较，来得出对结构稳定性的影响。

表2  30mX9m偏差对框架稳定性的影响

通过计算结果（表2）可以看出，在满足验收规范情况下的初始偏差及偏差组合，对于单层结构的稳定性影响都很小，一般均可不予考虑。

3 结 语

本文基于《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）所规定的允许在钢结构加工安装中的偏差，并对其进行了归类。在此基础上，提出了钢结构加工安装初始偏差的组合，并给出了单层单跨框架结构的考虑初始应力的偏差组合和考虑初始安装位移的偏差组合。对于初始偏差及偏差组合对于结构应力的影响以及稳定性的影响进行了分析。分析表明：考虑初始偏差组合情况比仅仅考虑单一偏差组合所产生的附加应力要增加50%以上；偏差组合对于单层框架结构的稳定性影响不大。

参考文献

[1] 中华人民共和国标准.钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)[S].北京:中国计划出版社，2001

[2] 袁继胜.钢结构加工安装偏差对结构性能影响[D] .[硕士学位论文].郑州:郑州大学，2010

[3] 编辑委员会.轻型钢结构设计指南（实例与图集）第二版[M].北京:中国建筑工业出版社，2005.