成　浩，　張　波，　朱麗華

(1.西部建筑抗震勘察設計研究院， 陜西 西安 710054；2.陜西理工學院 土木工程與建筑學院， 陜西 漢中 723000；3.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

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某食堂鋼結構網架鑒定與分析

成浩1，張波2，朱麗華3

(1.西部建筑抗震勘察設計研究院， 陜西 西安 710054；2.陜西理工學院 土木工程與建筑學院， 陜西 漢中 723000；3.西安建筑科技大學 土木工程學院， 陜西 西安 710055)

[摘要]通過對某電廠職工食堂網架結構的現場調查檢測，發(fā)現該網架結構的螺栓球、支撐、支座等構件均存在多處安全問題，依據實際檢測數據和施工圖紙，運用有限元軟件SAP2000建立了整體結構分析模型并進行了結構承載力驗算，對網架結構的可靠性進行了可靠性鑒定與評級，并結合存在的問題提出相應的處理建議。最后，對國內網架結構的設計、施工以及檢測工作提出了建議，可為其他類似工程提供參考。

[關鍵詞]螺栓球節(jié)點；網架結構；檢測鑒定；加固及建議

空間網架結構形式復雜，可達到較大的跨度，多用于重要的公共建筑中。然而實際工程中，網架結構由于施工誤差、使用不當、偶然荷載等因素造成的損傷難以完全避免，一旦結構損傷未被及時發(fā)現，則隨時可能發(fā)生工程事故。此類事故一般都會帶來巨大的財產損失和人身危害，因此對空間網架結構進行檢測鑒定及分析研究尤為重要[1]。本文對空間網架結構的可靠性開展的研究工作，能夠更好地了解空間網架結構的實際工作狀態(tài)，對類似工程結構的設計施工具有重要的參考價值。

圖1　食堂結構的平面布置圖

1工程概況

該職工食堂結構形式為下部鋼筋混凝土框架結構，支承上部網架結構，結構總平面呈圓形，結構平面布置圖和剖面圖如圖1、2所示；總建筑面積656 m2，建筑總高8.100 m。徑向有A、B兩道軸線，圓心到A軸距離為17.700 m，到B軸距離11.400 m。沿環(huán)向每24°設一道軸線，環(huán)向共有15道軸線，將廠房環(huán)向分為15跨。網架形式為正方四角錐網架；鋼筋混凝土柱頂標高為4.500 m，網架圓心處最大高度8.100 m。屋面坡度為10%。網架節(jié)點形式采用螺栓球節(jié)點，支撐形式為多點支撐。支座支承在鋼筋混凝土柱頂上。桿件形式為圓鋼管，規(guī)格分別為Φ48×4、Φ60×4、Φ75.5×4.25、Φ88.5×4.5四種，螺栓球采用45#鋼，套筒采用Q235B鋼。高強螺栓采用40Gr鋼，網架桿件、封板、錐頭、支座以及支托均選用Q235B鋼材。

圖2　食堂結構的剖面圖

該職工食堂網架結構于2009年設計，2011年建成投入使用。網架結構在工程實踐中的應用較為廣泛，但網架結構在使用過程中容易發(fā)生破壞，為確保食堂網架結構的安全可靠，保證電廠職工的正常生活和就餐安全，定期對鋼結構部分進行檢測鑒定[2]并進行適當的維護是十分必要的。為此我們對食堂網架結構進行可靠性鑒定，進而提出合理的維護方案和使用意見。

2現場調查檢測

2.1原始資料調查

本工程設計圖紙基本齊全，本次鑒定主要依據原有設計資料，結合現狀調查及檢查、檢測結果進行分析。食堂屋面體系采用鋼網架結構，網架結構形式為正放四角錐，節(jié)點形式為螺栓球節(jié)點。網架的支撐體系為鋼筋混凝土柱點支撐。現場核對發(fā)現該網架結構基本按照圖紙施工。桿件截面在平面內外觀感上無明顯變形，沒有發(fā)現明顯的節(jié)點偏心和螺栓承載力喪失。

2.2網架結構上的作用調查

檢測小組對該食堂網架結構進行初步調查，整體上了解了網架的工作環(huán)境、荷載情況，以及在使用方面是否有變更或者其他突發(fā)事件等。工作主要集中在熟悉現場，收集資料，閱讀圖紙，并對某些問題向委托方進行咨詢。表1列出了初步調查的部分結果和網架上的作用情況，并以此為基礎制定了詳細檢測的方案[3]。

表1　網架結構上的作用調查表

2.3現場詳細檢測結果與分析

2.3.1桿件長細比測定

該工程網架桿件采用圓鋼管，材質為Q235B鋼。根據《鋼結構設計規(guī)范》[4](GB50017—2003)，在內力計算時，假設桿件兩端鉸接，故網架桿件的計算長度系數取為1.0(桿件幾何長度)。經過統計，不同直徑的桿件共4種，桿件的幾何特性統計列于表2。該網架中桿件最大的長細比為135.52，未超過《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017—2003)規(guī)定的拉壓桿最大長細比，故網架的剛度滿足要求。

表2　桿件幾何特性統計表

注：表中的桿件截面尺寸由網架配料單查出，根據《網架結構設計與施工規(guī)程》(JGJ7—91)第4.1.2條，螺栓球節(jié)點桿件計算長度取l(l為桿件幾何長度)，回轉半徑參考了鋼結構設計規(guī)范給出的經驗公式。

2.3.2螺栓球節(jié)點檢測

在對網架螺栓球節(jié)點檢查過程中，沒有發(fā)現有大的偏心或其它構造問題，整體節(jié)點工作正常。但也存在一些比如螺栓球節(jié)點銹蝕、螺栓球節(jié)點密封不好，多數螺栓球底部螺孔并未封堵或用膩子填死以及上弦螺栓球與檁條連接處、豎管下端和螺栓球連接存在縫隙等問題，如圖3所示。

(a) 底部螺栓孔未封堵　　　　　　(b) 豎管下端和螺栓球連接的縫隙圖3　螺栓球節(jié)點的檢測

2.3.3支座檢測

在檢查中發(fā)現部分支座有明顯變形，一些支座銹蝕現象明顯，部分鋼筋混凝土柱頂預埋鋼板與柱頭脫開，形成比較明顯的縫隙，最大縫隙寬達15 mm。另外個別鋼筋混凝土柱頂支座過渡板安裝有偏差，雖然對網架本身的受力或變形影響不大，但可能會對柱子產生荷載偏心，從而影響柱子的實際受力。如圖4所示。

(a) 平板變形　　　　　　(b) 支座銹蝕　　　　　(c) 預埋板與柱頭脫開　　　　(d) 安裝偏差圖4　網架支座的檢測

2.3.4屋面及圍護結構檢測

現場調查過程中，發(fā)現食堂屋頂存在漏水、漏沙現象，可以明顯觀察到部分螺栓球節(jié)點有水銹痕跡。據食堂工作人員介紹在大風天氣屋面結構振動聲響較大。其原因如下：一方面，屋頂密封性不好，漏水、漏沙導致網架螺栓球節(jié)點以及鋼桿件的銹蝕，如圖5所示；另一方面，結構所處地理環(huán)境基本風壓大，導致屋面結構風荷載較大，而網架結構屬于輕型結構且本網架結構懸挑長度大，故在風荷載作用下屋面板振動變形大，導致異響，這會讓人產生不安全感。

2.3.5網架上弦系桿檢測

在檢測中，還發(fā)現屋架上弦系桿已經有多處連接破壞，如圖6所示。出現這一現象的原因是系桿與檁條的點焊連接強度不足，在風振引起的屋架振動變形下，系桿與檁條的連接被破壞。建議修復受損的系桿。

2.3.6鋼柱檢測

檢測過程中發(fā)現外圍的支承鋼柱未支撐在網架節(jié)點處，部分支撐在網架下弦桿中部，還有多處支撐與網架下弦并未連接，未能起到支撐作用，如圖7、圖8所示。故鋼柱不能起到承重作用，僅起建筑裝飾作用；此外，鋼柱支撐在下弦桿中部會引起網架桿件受力情況發(fā)生變化，會產生附加彎矩。

圖5　　　　螺栓球節(jié)點　　　圖6　　　　屋架上弦系　 　圖7　　　　鋼柱支撐于　　　圖8　　　　鋼柱未起到 　　　水銹痕跡　　　桿連接破壞　　　下弦桿中部　　　支撐作用

3網架結構計算分析

本工程采用SAP2000V14.0中文版對該網架結構進行了驗算。在建模過程中釋放所有桿件單元的轉角自由度來模擬網架結構中的鉸接節(jié)點，本結構支承方式為多點支承，根據網架結構支座的實際狀況，在B軸柱頂處假定支座為鉸接支座，支座只限制桿端節(jié)點的U1、U2、U3三向平移；在A軸柱頂假定支座為滑移支座，只限制桿端節(jié)點的豎向位移。建模中未考慮鋼柱的受力。

圖9　網架空間模型及荷載作用示意圖

在計算分析過程中將所有的荷載均等效為作用在節(jié)點上的集中荷載，并考慮地震作用和溫度效應與其它荷載效應的組合。網架結構的空間模型及上弦恒載示意如圖9所示，網架桿件的幾何尺寸均采用原結構尺寸，截面特性由SAP2000程序自動算出。鋼材強度及鋼材材性依據現行規(guī)范，即《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017—2003)取值。荷載及其組合取值則按照《建筑結構荷載規(guī)范》[4](GB50009—2012)進行。

3.1網架桿件最大軸力

桿件軸力不僅與桿件本身的承載力、穩(wěn)定性有直接關系，同時還直接影響螺栓球節(jié)點的受力情況。因此，了解桿件最大軸壓力和拉力，對整個網架包括桿件和連接都有一個整體的反映。

通過計算得出，此網架結構的最大軸心拉力為160.51 kN；最大軸心壓力為-141.54 kN。圖10為網架結構的軸力圖，其中灰色部分表示拉力，黑色部分表示壓力。

3.2網架結構變形

網架的變形反應了網架的整體工作狀態(tài)。在對網架進行計算分析后，得出網架變形3D圖如圖11所示。網架結構用作屋蓋時的最大容許撓度值L/250=91.2mm，而設計圖紙中規(guī)定的撓度值為81 mm，通過程序計算得出，網架的的最大撓度值為78.6 mm，小于設計規(guī)范及設計圖紙中規(guī)定的撓度容許值。

圖10　網架結構軸力圖　　　　　　　　　圖11　網架結構整體變形示意圖

4加固處理方案

通過對該網架的可靠性檢測鑒定，依據《民用建筑可靠性鑒定標準》[5](GB50292—1999)對該職工食堂網架結構可靠性級別評定為二級。目前存在的關鍵問題以及相應的加固處理方案如下：

(1)A—7軸到A—14軸間的支承鋼柱未支撐在網架節(jié)點處，部分支撐在網架下弦桿中部，還有多處未與網架結構連接，起不到支撐作用，希望盡快將支撐鋼柱移位到網架球節(jié)點處；

(2)部分螺栓球節(jié)點有水銹痕跡，螺栓球底部螺孔未封堵或用膩子填死，建議對螺栓球節(jié)點進行耐久性處理；

(3)支承節(jié)點支座鋼板部分發(fā)生變形，部分預埋鋼板與鋼筋混凝土柱柱頭脫開，應及時更換有問題的支座；

(4)建議修復缺失斷開的系桿，并宜更換屋面。

5結語及建議

網架結構是復雜的三維空間結構，只有通過合理的設計、正確的施工才能保證網架的安全。目前我們對于鋼網架的檢測通常分為節(jié)點的承載力、焊縫、尺寸與偏差、桿件的不平直度、網架的撓度和網架支座等項目。但是存在的問題是對于鋼結構的檢測鑒定基本上都是建立在對有限個構件進行抽檢的基礎上進行評判，如何針對部分構件和部分參數的檢測結構對整個鋼結構進行評價，目前尚缺乏系統的研究。對鋼結構施工質量的檢測也基本處于構件級別，我們談鋼結構的穩(wěn)定問題，不應僅僅是構件層面上的穩(wěn)定，應該是指結構的整體穩(wěn)定問題。這個問題是值得今后探討的[6-7]。

對于本工程中的網架結構，筆者認為出現可靠性問題的根源有以下幾方面：(1)在設計階段，本工程所在地基本風壓達0.65 kN/m2，在方案設計階段竟然選用輕型屋面結構體系，導致屋面結構在大風天氣響動劇烈，并且有漏水漏沙現象，嚴重影響了結構的使用功能。所以作者建議在基本風壓較大和環(huán)境惡劣的地區(qū)不宜選用輕型屋面體系，因為屋面系統的耐久性很難得到保證。(2)在施工階段，A—7軸到A—14軸間的外圍支承鋼柱由于安裝偏差并沒有起到支撐作用，況且原結構本來懸挑長度大，已接近規(guī)范上限，這就導致在外荷載作用下屋面很可能出現整體傾覆或坍塌。所以筆者認為對于網架結構的制作和安裝應當由專門的單位操作，并且國內的網架施工水平需要大幅度的提高，同時我們建議對于大跨度網架結構應該展開定期的狀態(tài)檢查，在使用較長時間以后應繼續(xù)對整體結構的安全性檢查和可靠性鑒定。這些都應當在一些規(guī)范和規(guī)程中明確提出和規(guī)定。

[參考文獻]

[1]顧錢彬.網架結構損傷檢測中的數據融合方法研究[D].西安：西安建筑科技大學,2015.

[2]中國建筑科學研究院.網架結構設計和施工規(guī)程：JGJ7—91[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[3]中國冶金建設協會.工業(yè)建筑可靠性鑒定標準：GB50144—2008[S].北京：中國計劃出版社,2009.

[4]北京鋼鐵設計研究總院.鋼結構設計規(guī)范：GB50017—2003[S].北京：中國計劃出版社,2003.

[5]四川省建筑科學研究院.民用建筑可靠性鑒定標準：GB50292—1999[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[6]朱斌,鄭七振,魏林鋼.某大型網架結構的檢測和加固[J].鋼結構,2005,20(2)：66-69.

[7]黃達,鄧浩,鄧建榮.某體育場鋼結構網架的施工質量檢測鑒定[J].廣東土木與建筑,2007(5)：40-42.

[8]徐海濤.某游泳館鋼結構網架鑒定分析[J].施工技術,2010,39(S)：418-421.

[責任編輯：謝 平]

Appraisal and analysis of steel grid frame in the canteen

CHENG Hao1,ZHANG Bo2,ZHU Li-hua3

(1.Western Institute of Seismic and Building Design, Xi’an 710054, China；2.School of Civil Engineering and Architecture,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,China；3.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China)

Abstract：Through on-the-spot evaluation of a power plant steel grid structure, security problems in several parts were discovered, such as bolt-sphere joints, support, bearing component part. Based on the actual testing data and construction drawings, the finite element analysis for whole structure was simulated by the finite element software SAP2000, and structure bearing capacity calculation was carried. The reliability of grid structure was appraised and rated, and corresponding proposals to solve the problems of the structure have been given. Finally, the grid structure design, construction and testing work are proposed, which may be a reference for other similar projects.

Keywords：bolt-sphere joints；grid frame；test and appraisal；strengthening and suggestions

[中圖分類號]TU392

[文獻標識碼]A

作者簡介：成浩(1989—)，男，陜西省武功縣人，西部建筑抗震勘察設計研究院工程師，碩士，主要研究方向為結構設計；張波(1976—)，男，陜西省涇陽縣人，陜西理工學院副教授，博士生，主要研究方向為土木工程。

收稿日期：2015-10-08修回日期：2016-01-14

[文章編號]1673-2944(2016)02-0019-05