门式刚架轻钢结构若干安装问题和解决办法

一、前言    门式刚架轻钢结构近十几年的发展以其成熟的技术已形成了特定结构型式，这类结构特别适用于大跨度的单层工业与民用建筑，在安装工地现场摈弃了传统钢结构现场大量焊接的做法，采用预制构件现场螺栓连接，或自攻钉、抽芯拉铆钉连接方法，不用搭脚手架即可完成整个建筑的安装工作。简单方便的安装方式，施工周期快速，综合造价低廉等优势使得门式刚架轻钢结构得到极为广泛的应用。然而门式刚架轻钢结构既有其自身长处，也有其自身短处，正确地理解、熟悉这类结构技术的特点，在安装工作中显得极为重要。由于受传统钢结构建造方式的影响，在轻钢结构安装中存在不少不合理乃至错误的安装方式，或造成工程质量隐患，或造成工程费用浪费，这其中当然有不少管理方面原因和工人的个人技术素质原因，本文着重讨论施工技术方面的一些问题及其解决办法。
    二、轻钢结构安装中的倒塌事故分析
    很多的钢构公司，包括外资企业都有过轻钢结构在安装时风吹倒刚架的事故，这种事故都是发生在安装支撑系统之前。事故发生后，柱、梁和檩条损坏，需重做，但一般不会有人身伤亡发生，其原因在于钢构安装时靠地脚锚栓固定，柔性很好，被风吹倒时是拉坏了地脚锚栓而慢慢倒下，不会突然倾覆，柱与梁空间间隔大，现场人员容易躲避。
    为使设计经济，门式刚架大多设计成柱底简单地由4个锚栓连接的铰接构造型式，在刚开始安装时，仅有孤立的柱和梁，或用檩条将各刚架简单串连起来，各种支撑还没有安装，此时的刚架没有形成稳定的空间体系，在刚架平面外方向非常软弱不稳定，只要有不大的风，就可以对柱底4个锚栓构成极大的危胁，此时高空的屋面梁在风荷载作用下产生的倾覆力矩对于柱子下面的4个锚栓就类似于有杠杆拨铁钉那样的效果，设计的4个锚栓不可能强大到能抵抗住这种杠杆撬力矩。因此在安装屋面横向水平支撑和柱间支撑之前，必须设置临时风缆绳才能保证安全。但如果风缆绳设置不当，也有可能会出现倒塌事故，下面是一个实际发生倒塌的工程实例：
    刚架跨度30m，柱距6m，檐高10m，如图1所示，在安装好3榀刚架之后，没有安装屋面横向水平支撑和柱间支撑，拉了临时风缆绳，施工人员为了图方便，直接利用邻近的柱基础固定风缆绳，致使风缆绳于屋盖梁成一角度很小的斜交，在风荷载作用下，尽管斜拉风缆绳引起的屋盖梁的附加轴向应力很小，估计不到6N/mm2，但由于屋盖梁绕弱轴的长细比已高达λy＝445，相对应的稳定折减系数φ＝0.028，稳定应力则高达200N/ mm2以上，再加上风荷载对屋盖梁产生的侧向弯曲应力，足以使屋盖梁出现侧向弯扭整体失稳。如果是与屋盖梁垂直方向拉风缆绳或对称地斜拉风缆绳，则无此附加压应力，也就不会失稳。

    另一个工程实例是由于砼基础顶面标高没有到位，致使锚栓外露过长，而安装时柱底面是支承在锚栓的调节螺母上，在柱底灌浆填料之前，由于锚栓失稳而出事故。对此问题应在柱底板四角加焊临时支承小角钢，见图2所示，由此小角钢直接支承刚架则无失稳问题。
    三、加楔片调整屋盖梁平直度
    门式刚架轻钢结构的梁—柱连接、梁—梁连接均采用端板式高强螺栓连接，由于制作焊接变形的影响，端板的倾斜度会有一定偏差，按照《门式刚架轻型房屋钢构件》JG144-2002的检验标准[1]，端板倾斜度允许偏差是H/300，根据相似三角形原理可知，由此引起的屋盖梁下挠度是L/300，对于屋盖梁来说，具有可观的折弯现象，解决此问题最佳的办法就是加楔片处理，见图3所示，有的施工队用火焰矫正来处理，存在工程隐患，一是火焰烘烤，使高强螺栓预拉力有所丧失，节点刚度减少，会加剧屋盖梁在外力作用下的挠度；二是残余应力很大，对结构不利，用楔片处理则无此两个问题。端板式高强螺栓连接的受力模式主要是靠高强螺栓受拉来实现，用加楔片调整屋盖梁不会有后遗症[2]。

四、高强螺栓连接

    门式刚架轻钢结构通常采用端板式连接，这种连接最为简单方便，但从严格意义上讲，这种连接不是全刚性连接，根据文献[3]介绍，对于一根简支梁，在跨中采用一个端板式连接节点，梁的挠度会增加10％～24％，因此，为保证连接的刚度，对高强螺栓的预拉力应像摩擦型高强螺栓连接那样严加控制[2]，至于端板之间的抗滑移系数要求是很低的，无需像摩擦型高强度螺栓连接那样，花费大量的费用去作抗滑移系数试验，因轻钢结构端板式连接中的剪应力很小，按设计要求可定为μ＝0.15，如此小的摩擦系数无需专门控制可自动满足，（规范规定仅对μ＞0.3时，需作抗滑移试验来保证）
    五、砼柱上两铰直线拱的施工问题
    有时会遇到在钢筋砼结构上加钢结构屋盖的工程，采用实腹式屋盖梁是常用的方法之一，此时的屋盖梁设计成两铰直线拱型式，计算简图如图4所示，作为两铰直线拱的屋盖梁在端头与砼柱一般做不成刚接，只能是铰接，但这种铰接具有很大的水平推力，依靠这水平推力，大大改善了屋盖梁的弯矩分布，使跨中截面弯矩大大降低，如无水平推力则跨中截面的弯矩如简支梁，弯矩将增大约一倍，此外，无水平推力，跨中下挠将增大约五倍，正是因为两铰直线拱对水平推力如此敏感，在施工安装就要特别当心。事实上，有不少这类建筑，设计人员和施工安装人员都没有认识这一点，在钢梁与砼柱连接中仍像一般的柱底铰接那样处理，就要出问题了。因为土建中的锚栓连接，都是在安装构件完成之后，再对锚栓补焊加强垫板，这种方式用于柱底连接是可行的，用于两铰直线拱则有大问题，因为在补焊加强垫板和灌浆填料之前，两铰拱已产生较大滑移，水平推力已释放，大挠度已形成，补焊加强垫板只能对以后的荷载有效果。正确的做法有三种，一种是对屋盖梁加临时支撑，使两铰拱在无水平滑移的状态下施工安装，待补焊加强垫板并且灌浆填料完全固化之后，才可撤除临时支撑，显然用此方法安装非常麻烦。另一种做法是在安装两铰拱的同时，在柱子的预埋件上直接焊一个止推键顶紧拱端，见图5所示，这就要求钢筋砼结构设计人员事先配合好，设计一个能支持止推键的预埋件。最后一种做法是在搁置两铰拱时，直接与砼柱顶预埋件现场焊牢[4]，但这种方式对施工精度要求高，要求每榀拱安装一步到位，事后无法进行调整。
    六、屋面压型钢板系统的安装技术

    十几年前的压型钢板的构造型式简单，仅用挂钩或自攻钉直接固定在檩条或墙梁上。现在屋面板有360°咬边式、扣合式，墙面板有自攻钉隐藏式，这些类型的板或靠公、母肋互相咬边固定或靠公、母肋互相卡紧扣牢。与这些板型相配合的泛水、包边也就有各式各样的，其中最为复杂的是360°咬边式屋面板系统。这种板型一个最大特点是能够随温度变化自由伸缩而不影响屋面板下面结构的连接及变形，从而具有了永久性的防渗漏功能。为配合这种屋面板体系，则屋脊处的阳堵头，檐口处的阴堵头都需要有良好的防水密封性，尤其麻烦的是出屋面风机类构造的防水处理，因风机是固定在檩条上的，而四周的泛水、包边又必须连在屋面板上，屋面板与檩条之间又是可以相互滑移的，其滑移量最大可达80mm之多，此外，山墙面的屋檐包边板一头固定在墙面板上，另一头又要包住屋面板使其不会渗水，墙面板一般是由自攻钉直接固定在檩条上，而屋面板又是可以有相对滑移的，这些问题必须由设计和制作做精细的考虑，施工安装单位必须仔细地研究熟悉这些构造原理和要求，才能使安装质量到位。
    此外，在风吸力作用下，屋面板系统在檐口处、建筑物的四角处受到特别大的风荷作用，其作用力是其余区域的2.23倍[5]，属于屋面板系统的薄弱处，需特别加强，这一点往往不被施工安装单位注意，通常在檐口区域所有的紧固件需加密一倍，如属沿海地区则需加密2倍，以确保结构安全。
    七、关于雨水渗漏的几个安装方面问题
    轻钢结构建筑渗漏雨水是一个常见的、比较难以处理的问题，问题发生的原因存在于设计、制作、防水材料品质、安装技术诸方面，其中问题最多、最难控制的在安装方面，在施工安装方面需掌握以下几条基本原则：
    1）除扣合式屋面板外，凡屋面板与板之间的搭接缝处，均需填充合格的防水密封胶条。
    2）凡泛水板、包边板之间以及与屋面板之间的搭接缝处，均需填充合格防水密封胶条。
    3）屋面的各种泛水板与包边板必须考虑屋面板的变形特征，并以满足这种特征的要求来安装泛水板、包边板。
    4）屋脊处的阳堵头、檐口处的阴堵头必须在其四周填充防水密封胶条。
    5）采光带应和屋面板连接，不应直接固定在其下的檩条上，采光带的热胀冷缩系数大，温度变形非常显著，采光带之间的搭接连接处应有刚性压条上下固定采光带，并填充双道密封胶条，紧固件应有加大加厚的防水垫圈以适应采光带的大变形情况。
    6）在温度伸缩缝处，应安装有温度变形功能的特殊包边板。
    7）兼作窗框的墙檩，在安装时应加临时木撑，避免安装时踩踏下挠，一旦墙檩下挠与窗框之间形成较大间隙，积水渗漏就难以避免，建筑密封膏只能解决平整微小缝隙的防水，不能解决大间隙的防水。
    8）在檐口处应特别注意保温棉的端头纤维毛细吸水效应，屋面保温棉应在此处由防水层反卷阻挡其毛细吸水产生，见图6所示。
    9）天沟与屋面板之间是一个防水的薄弱点，在北方有积雪结冻的地区不应采用内天沟做法，再好的防水密封膏在反复积雪结冻的状态下也要出问题，一般设计时应尽量做成外天沟形式，并允许下暴雨时天沟溢水。外挂天沟不光是无需考虑渗漏问题，且将后维修更换也非常方便。
    如果能掌握好以上9条原则，钢结构的渗漏问题是可以避免的。
    八、小结
    用常规方法安%考试|大|装轻钢结构，存在结构安
全方面问题，也存在着雨水渗漏方面问题，只有熟悉轻钢结构的技术特点，有针对性采取相应的措施才能经济合理地解决好轻钢结构的质量问题。