引 言
钢结构工程由于预制件多、施工快、强度高等优点，被广泛采用在许多大跨、大空间的重要结构中，但由于钢结构本身各部件所承受的载荷较大，因此钢结构设计和施工过程中一旦出现失误，所产生的危害也较大^[1-2]。针对某市重点工程贝壳形屋盖钢结构工程中局部大悬挑结构设计不足，实际安装后发现局部结构的挠度超过规范要求；本文首先采用有限元方法对此局部结构进行分析^[3-4]，找出挠度过大的原因，并在对有限元计算的结果与实际情况比较后，结合实际工程的施工进度和具体要求，提出几个改进的方案。 

1 工程概况 

某大楼工程总建筑面积81274 m ，建筑总高度30．20 m。一层及其以下结构为钢筋混凝土框架结构，二层为钢框架结构。二层共有153根高度为8～22 m不等的钢管混凝土柱，支撑6块呈堆叠状的贝壳形屋面(图1)，其中右端贝壳形屋面最大悬挑长度达27．439 m。贝壳形屋面钢结构采用钢管混凝土柱一钢箱梁框架结构，设计荷载包括：静荷载0．8 kN／m²(含檩条及屋面板或采光玻璃)，活载0．5 kN／m²(屋面)；钢结构材料采用Q345钢。该工程贝壳形屋面钢结构安装完后在拆除支撑架过程中，施工人员发现右端部最大悬挑27．439 m的钢结构变形较大，因此停止拆除支撑。

图1 二层钢结构三维模型图  

2 原设计模型和有限元验算模型 

2．1 原设计模型的几何尺寸
右端最大悬挑贝壳形屋面原设计的整体和局部钢结构如图2、图3。图3中点C为钢管混凝土柱节点，点B为梁L7与梁L5的交点，点A为梁L7、L6与L3的交点，点G、H日分别为梁L1、L2的远端点。各钢梁的尺寸如表1。

 

2．2 有限元模型
本工程的有限元分析软件采用由同济大学提供的MSC—Patran、MSC—Nastran。钢梁采用一维梁单元，屋面采用六节点二维三角形单元(主要用于分摊面载)，二维单元与一维单元之间用多点约束(MPC)将相对应的节点连接(主要用于将面载传递给梁单元)，具体见图4。

2．3 荷载和约束条件
有限元验算时仍然按照原设计荷载，风载暂不考虑；同时梁L1和L2分担相邻区间一半的荷载。约束条件为点C处固支，即6个自由度为零。
3 有限元分析结果和比较
梁L1、L2、L7远端(点G、H、A)及梁L5与梁L7交点B处的变形值是工程人员最为关心的，有限元数值模拟计算的结果见图5，点A 、B、G、H处的变形值应分别为0．405 m、0．168 m、0．220 m、0．104 m。按钢结构设计规范要求，屋面梁最大变形控制值为l／400^[6-7]，则点A、B、G、H处的变形值应分别控制在0．137 m、0．069 m、0．093 m、0．073 m范围内，而计算结果明显超过规范要求。

图5 点A、B、G和H处变形值

从图5的结果可以看出，梁L5的跨中点B绝对变形为0．168m，但点B相对于L5两端点G、H的挠度仅0．006m，说明梁L5的刚度是足够的；梁L1、L2、L7的远端点(G、H 、A)的变形值分别为0．220m、0．104 m、0．405 m，说明原设计钢箱梁L1、L2、L7的刚度不足，致使结构在安装完拆除支撑架中出现变形过大。 

4 改进方案 

从上述的有限元数值模拟分析可知原设计中存在一定的不足，因此根据工程实际情况，提出以下几种改进方案。
4．1 改进梁L7、L1、L2
从图5的计算结果可以看出，为使L7、L1 、L2的远端点A 、G、H变形满足规范要求^[6]，需提高钢箱梁L7、L1、L2的截面刚度，则需增加L1、L2壁厚和L7的根部截面高度与壁厚。
将钢箱梁L7由原来的断面改为分别取800 mm～400 mm ×300 mm、1000 mm ~400 mm ×300 mm、
1400 mm~400 mm×300 mm 3种规格，壁厚分别取10 mm、20 mm、30 mm，同时钢箱梁L1、L2壁厚取30 mm进行模拟计算，比较A、G、H3点的变形变化规律，具体见图6、7、8。

图6 A点处的位移随梁断面尺寸的变化

图7 点G处的位移随梁断面尺寸的变化

图8 点H处的位移随梁断面尺寸的变化

从图6、7、8中可知，将钢箱梁L7的根部截面加大，可大大降低A、G、 H点处的变形。同时，壁厚变化对A、G、 H点处位移的影响明显比断面高度的影响大。
最终将钢箱梁L1、L2、L7截面的壁厚改成30 mm，且钢箱梁L7的BC段截面改为1400 mm×300mm，BA段改为1400mm~400mm×300mm的变截面，则点A、G、H处的变形满足钢结构规范要求，计算结果如图9。

图9 点A、G和H处变形值(单位：m)

4．2 加支撑
在不考虑美观的条件下，优先从安全的角度考虑，可以在梁L7的点A和点B之间加1个支撑。表2为不同支撑位置下，点A、B、G、H处的位移变化情况。从表2中可知，在A、B之间加支撑，则点A、B、G、H处的位移将大幅度降低，且满足要求。

4．3 方案优选
比较上述两种改进方案，为使得钢箱梁L1、L2、L7远端 (G、H、A)的挠度值控制在规范^[6]规定的要求范围内，若采甩第一种方案，则梁L1、L2、L7壁厚变得很大，且需加大L7根部的截面高度，由于现场钢结构已经
安装好，需拆除、重新加工构件安装，造价将增加很多；采用第二种方案，在A、B之间加一支撑，点A、B、G、H的变形都很小，都能满足钢结构规范的变形控制要求，这种方案虽然原设计美观受到一定影响，但安全可靠，造价也比较低，施工也较方便。为达到减少对美观效果的影响，考虑到在离点B 1/4L_AB处是栏杆位置，故最终选择在离点B 1/4L_AB处加支撑的方法。 

5 结 语 

钢结构施工安装后发现设计的缺陷，在选择补救方案时，应以优先考虑确保结构安全、其次考虑减少
经济损失为原则，再结合考虑施工方便和美观等因素要求，选择合理的补救方案。本工程的贝壳形钢屋盖
大悬挑结构，由于是在安装完进行拆除支撑架过程中发现变形过大，通过有限元数值模拟进行验算分析，
发现原设计存在缺陷，并对贝壳形钢屋盖大悬挑结构提出几种补救方案，从中进行分析比较确定合理的方
案，确保贝壳形钢屋盖大悬挑结构的安全，减少经济损失，也方便了施工。
参考文献
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[2]林军钲．大型钢结构工程特点、重点与监理对策[J]．建设监理，2005，(2)：50—51
[3]何庆中，刘明，罗远新．加载方法对钢结构件有限元分析结果的影响[J]．四川理工学院学报(自然科学版)，2006，19(3)：55—58
[4]黄长征，谭建平．大型钢结构件有限元力学分析方法研究[J]．起重运输机械，2006，(4)：52—55
[5]王元清，施飞，张勇，等．变截面门式拱架轻钢结构承载性能的有限元分析[J]．北京交通大学学报(自然科学版)，2006，30(1)：9-13
[6]GB 50017-2003钢结构设计规范[S]
[7]催佳，魏明钟．钢结构设计规范理解与应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004