某體育場鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架安全性檢測與評估

賈 赟，關(guān)重陽

(1.山西春暉工程勘察檢測設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030009；2.山西華范工程檢測有限公司，山西 太原 030045)

0 前 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,現(xiàn)代建筑蓬勃發(fā)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的重要形式越來越得到廣泛的重視，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于整體性好、空間剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型優(yōu)美、施工速度快、自重小，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。然而鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點處交匯桿件數(shù)量多、安裝與制作較平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對荷載敏感，長期承受荷載并遭受環(huán)境侵蝕，構(gòu)件銹蝕、整體剛度退化、材料老化等問題不可避免[1-2]。出現(xiàn)上述問題的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)診斷和安全性鑒定，必要時采取加固與維修措施。鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)鑒定、加固和維修技術(shù)現(xiàn)已成為研究熱點[3-7]。

1 工程概況

某體育場鋼結(jié)構(gòu)挑蓬有主、副看臺兩部分(見圖1(a)、圖1(b))，承重結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為膜結(jié)構(gòu)。挑蓬上弦靜荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.10 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.30 kN/m2，本地區(qū)基本風(fēng)壓為0.50 kN/m2，基本雪壓為0.30 kN/m2。建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期50年，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度值0.10g。挑蓬結(jié)構(gòu)為鋼管焊接空心球節(jié)點懸臂立體桁架，鋼管采用高頻焊管，空心球采用鋼制定型產(chǎn)品。鋼管與空心球的材料為Q235B，鋼管與空心球節(jié)點間及支座相連的焊縫均為剖口對接焊縫，其他附件的材料為Q235B。鋼結(jié)構(gòu)挑蓬總投影面積為5 200 m2。主、副看臺桿件規(guī)格見表1。主看臺鋼管直徑76～180 mm、壁厚為3.8～14.0 mm；副看臺鋼管直徑為76～180 mm、壁厚為4.0～16.0 mm；空心球節(jié)點直徑260～500 mm，壁厚為6～20 mm。

(a)主看臺挑蓬現(xiàn)狀

(b)副看臺挑蓬現(xiàn)狀

表1 主、副看臺構(gòu)件規(guī)格匯總 單位：mm

2 結(jié)構(gòu)安全性檢測

2.1 表觀檢查

對主、副看臺鉸支座與固定支座空心球節(jié)點及其附件的桿件進(jìn)行抽樣檢測，主看臺固定支座與鉸支座共28組，副看臺固定支座與鉸支座共26組。檢測結(jié)果：主、副看臺鋼結(jié)構(gòu)挑蓬出現(xiàn)銹蝕，挑蓬頂部膜結(jié)構(gòu)殘缺不全。結(jié)構(gòu)整體感觀陳舊：網(wǎng)架支座出現(xiàn)銹蝕，支座與預(yù)埋板的螺栓連接未發(fā)現(xiàn)松動，局部螺栓未擰緊，鉸支座下部錨筋端頭銹蝕(見圖2(a)、圖2(c))；網(wǎng)架桿件未發(fā)現(xiàn)變形、扭曲，桿件表面涂層開裂、脫落，部分桿件表面出現(xiàn)浮銹(見圖2(b))；空心球節(jié)點表面未發(fā)現(xiàn)裂紋，部分空心球表面涂層開裂、脫落，出現(xiàn)浮銹(見圖2(b))；鋼構(gòu)件連接部位未出現(xiàn)裂紋，焊縫外觀質(zhì)量基本完好，無明顯漏焊現(xiàn)象，部分焊縫部位出現(xiàn)浮銹現(xiàn)象；主看臺頂棚5跨有膜結(jié)構(gòu)，其余部位均無膜結(jié)構(gòu)；副看臺頂棚2跨無膜結(jié)構(gòu)，其余部位均有膜結(jié)構(gòu)(見圖1(a)、見圖1(b))。

(a)主看臺固定支座

(b)主看臺球節(jié)點、桿件

(c)副看臺鉸支座錨筋

(d)副看臺桿件、固定支座和鉸支座

2.2 結(jié)構(gòu)布置校核及構(gòu)件規(guī)格檢測

據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50621-2010)[8]規(guī)定，現(xiàn)場對主看臺全部固定支座(共計14組)、副看臺全部固定支座(共計13組)結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行檢測，構(gòu)件尺寸規(guī)格檢測抽檢構(gòu)件為200個，主副看臺各100個?，F(xiàn)場采用激光測距儀、鋼卷尺對結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行檢測，采用游標(biāo)卡尺、鋼卷尺、超聲波測厚儀對空心球節(jié)點及桿件直徑、壁厚進(jìn)行檢測，在構(gòu)件的3個不同位置進(jìn)行測量，取3處測試值得平均值作為代表值。

檢測結(jié)果：主、副看臺支座軸線尺寸及網(wǎng)架整體布置符合圖紙設(shè)計要求。桿件和空心球的直徑、壁厚，最大負(fù)偏差值和允許偏差見表2，主、副看臺桿件的直徑和壁厚尺寸偏差均滿足允許偏差[9-10]；空心球節(jié)點的直徑和壁厚尺寸偏差滿足容許偏差[11]。

表2 主、副看臺構(gòu)件直徑和壁厚 單位：mm

2.3 構(gòu)件涂層厚度檢測

涂層厚度檢測數(shù)量為構(gòu)件總數(shù)的10%，同類構(gòu)件不少于3件[12]。主看臺抽檢固定支座27個，桿件23個；副看臺抽檢固定支座40個，桿件10個；主副看臺共計測量100個構(gòu)件。在每個抽檢構(gòu)件，涂層與鋼材附著良好的部位取5個測點，測點的數(shù)值為距離50 mm的3個測點涂層厚度的平均值。檢測結(jié)果：主看臺抽檢構(gòu)件涂層厚度平均值為73.9～232.6 μm；副看臺抽檢構(gòu)件涂層厚度平均值為72.5～202.0 μm。

2.4 桿件焊縫超聲波檢測

焊縫超聲波檢測共80處，主、副看臺各40處。抽檢部位的鋼管與空心球節(jié)點的剖口對接焊縫，外形均勻、成型較好，焊道與金屬件過渡平滑，焊渣和飛濺物清除干凈，無明顯咬邊、表面夾渣、氣孔等狀況，焊縫外觀質(zhì)量滿足《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB 50205-2001)中二級焊縫質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)。主看臺焊縫抽檢結(jié)果，90%的評定為Ⅰ級，10%為Ⅱ級，Ⅱ級焊縫的最大缺陷深6 mm，長15 mm；副看臺焊縫抽檢結(jié)果，92.5%的評定為Ⅰ級，7.5%為Ⅱ級，Ⅱ級焊縫的最大缺陷深7 mm，長14 mm。鋼管與空心球節(jié)點表面焊縫無超標(biāo)缺陷。

2.5 整體結(jié)構(gòu)變形

主看臺固定支座和鉸支座由北至南各14組，編號1～14，副看臺固定支座和鉸支座由北至南各13組，編號1～13。主看臺固定支座，鉸支座及挑蓬頂點的標(biāo)高如圖3(a)，副看臺固定支座、鉸支座及挑蓬頂點的標(biāo)高如圖3c。主、副看臺頂蓬撓度的最大允許值為l/125(l為懸挑跨度)[13]。主看臺鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架撓度在36～162 mm，均未超出撓度的最大允許值。副看臺鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架撓度在79～176 mm，全部超過最大允許值(圖3(d))，最大超出35.4 mm，最小超出1.54 mm。主、副看臺固定支座和鉸支座實測與設(shè)計標(biāo)高的偏差全部在最大允許范圍內(nèi)(±30 mm)。

(a)主看臺實測和設(shè)計標(biāo)高

(b)主看臺實測和設(shè)計差值

(c)副看臺實測和設(shè)計標(biāo)高

(d)副看臺實測和設(shè)計差值

2.6 結(jié)構(gòu)復(fù)核驗算

在MST2016中建立主、副鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架的有限元模型?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g，設(shè)計分組為第二組。結(jié)構(gòu)鋼材為Q235B鋼，靜載標(biāo)準(zhǔn)值0.10 kN/m2、活載標(biāo)準(zhǔn)值0.3 kN/m2(不含結(jié)構(gòu)自重)。根據(jù)2.2節(jié)中桿件截面尺寸的檢測結(jié)果，桿件壁厚統(tǒng)一減小0.10 mm。材料本構(gòu)中彈性模量210 GPa、泊松比0.33，桿件使用歐拉梁單元，固定支座約束6個自由度，鉸支座釋放對應(yīng)方向的轉(zhuǎn)動自由度。在上述工況下，有限元結(jié)果表明：主、副看臺挑蓬網(wǎng)架受壓、受拉桿件的最大長細(xì)比均小于180；桿件強度應(yīng)力比、平面內(nèi)穩(wěn)定應(yīng)力比、平面外穩(wěn)定應(yīng)力比均小于1。

3 安全性評價

根據(jù)完成的檢測項目，對該鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架進(jìn)行安全性總體評價：該體育場主、副看臺鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架銹蝕普遍，分布范圍廣，頂棚無膜結(jié)構(gòu)的區(qū)域網(wǎng)架構(gòu)件較有膜結(jié)構(gòu)區(qū)域嚴(yán)重，桿件銹蝕程度普遍在0.05～0.1 mm。主看臺鋼網(wǎng)架現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)整體變形在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，但各處變形不一致；副看臺鋼網(wǎng)架支座標(biāo)高均在允許范圍內(nèi)，副看臺挑蓬撓度全部超出允許值?？紤]桿件截面折損的有限元承載力和恒載計算結(jié)果均符合結(jié)構(gòu)限值要求。故整體結(jié)構(gòu)安全等級判定為Bsu級，安全性略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，尚不顯著影響整體承載力，少數(shù)構(gòu)件需要進(jìn)行加固替換。

4 結(jié)論和加固建議

鋼網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)安全等級判定為Bsu級，安全性略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架整體承載力下降，少數(shù)構(gòu)件需加固替換。

1)需對網(wǎng)架進(jìn)行全面除銹處理，并完善其防銹、防火涂層。在全面除銹過程中，應(yīng)同步對桿件缺陷進(jìn)行逐一排查。并對出現(xiàn)開裂破損的桿件加固或更換，加固更換前須設(shè)置防護(hù)措施。

2)對支座連接螺栓進(jìn)行普查，對未緊固到位的螺栓進(jìn)行緊固處理，并對其進(jìn)行防銹處理；對鉸支座下部錨筋端頭采取防護(hù)措施。

3)鑒于部分桁架變形明顯的狀況，網(wǎng)架挑蓬的日常變形監(jiān)測必須開展，并根據(jù)外界環(huán)境因素的變化(如溫度作用、風(fēng)雨雪侵蝕、環(huán)境侵蝕等)調(diào)整監(jiān)測方案，加強長期變形檢測。同時應(yīng)當(dāng)對網(wǎng)架每5年進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢測鑒定。

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