楊 雪，樊麗軒，王金龍，劉佳敏，鄧 婕

（1.中國電建集團(tuán)核電工程有限公司，山東 濟(jì)南 251200； 2.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)因其施工速度快、柱網(wǎng)布置靈活、結(jié)構(gòu)空間大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于單層工業(yè)廠房中。但是在使用過程中，各種非正常使用易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不滿足后續(xù)安全使用要求，甚至導(dǎo)致各種事故的發(fā)生，因此針對(duì)存在此類問題的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性檢測鑒定是非常有必要的?？紤]到其實(shí)際應(yīng)用，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的非正常使用包括結(jié)構(gòu)超載、車輛或機(jī)械撞擊、爆炸等人為因素，火災(zāi)、雪災(zāi)、地震等自然災(zāi)害，以及生產(chǎn)工藝改進(jìn)帶來的結(jié)構(gòu)使用功能改變和結(jié)構(gòu)布置變化等情況［1-3］。楊春強(qiáng)［4］和陳懷亮［5］將輕型門式剛架結(jié)構(gòu)在使用過程中的事故原因總結(jié)為使用環(huán)境和荷載的變化以及使用中缺乏定期維護(hù)等。周勇［6］和賈傳果［7］認(rèn)為改變結(jié)構(gòu)使用功能前，應(yīng)根據(jù)檢測鑒定結(jié)果對(duì)不滿足要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進(jìn)行加固。王國渝等［8］指出鋼柱的不均勻沉降對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有一定影響，當(dāng)柱沉降接近規(guī)范限值時(shí)，宜考慮附加內(nèi)力的影響。董羽［9］認(rèn)為在門式剛架單跨結(jié)構(gòu)中，地基沉降會(huì)導(dǎo)致柱頂側(cè)移以及梁端與柱頂應(yīng)力增加；而在雙跨結(jié)構(gòu)中，沉降對(duì)柱腳剛接有影響，但對(duì)梁跨中撓度影響較小。

FERRER等［10］指出車輛的速度和質(zhì)量等因素對(duì)實(shí)腹式鋼柱受撞擊時(shí)的能量交換有顯著影響。王蕊等［11］和ZHAO等［12］根據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果指出，承受沖擊荷載的H型鋼試件在壓應(yīng)力下主要表現(xiàn)為整體變形和局部屈曲，且局部屈曲部位是薄弱部位，試件表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞。路國運(yùn)等［13］指出，H型鋼柱極易在沖擊部位發(fā)生塑性變形，局部變形主要表現(xiàn)為翼緣下凹以及腹板面外變形。上述研究表明沖擊荷載作用對(duì)實(shí)腹式柱的承載力有較大影響，但以上研究僅以H型鋼試件為研究對(duì)象，且試驗(yàn)中構(gòu)件兩端約束條件均較為理想，與實(shí)際情況下H型鋼柱的受力情況存在一定誤差。而目前針對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)中足尺H型鋼柱在非正常使用下的承載力研究較為有限。本文選取某輕鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤廠房為典型案例，該廠房在建成后使用功能發(fā)生較大改變，廠房內(nèi)材料堆載較大；且部分鋼柱在大型車輛撞擊作用下產(chǎn)生變形和傾斜。為確保該建筑仍可安全使用，對(duì)該廠房進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研、有限元模擬及理論分析，并針對(duì)該廠房的結(jié)構(gòu)/構(gòu)件存在的問題提出了相應(yīng)的加固措施。

1 工程概況

某廠房結(jié)構(gòu)形式為單層雙跨雙坡門式剛架結(jié)構(gòu)，由13榀門式剛架組成。圍護(hù)結(jié)構(gòu)由磚砌體墻及單層壓型鋼板組成，屋面為單層壓型鋼板（如圖1所示）。基礎(chǔ)為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。該結(jié)構(gòu)東西長度102.0 m，柱距6.0 m，南北長度60.0 m，單跨30.0 m。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度（0.05g），設(shè)計(jì)地震分組第三組。該結(jié)構(gòu)鋼柱及鋼梁均采用H型鋼，鋼材牌號(hào)均為Q345B。

圖1 某輕鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤廠房西南軸測圖

2 現(xiàn)場檢查與檢測情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系與外觀普查

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)際結(jié)構(gòu)體系基本符合原設(shè)計(jì)。廠房實(shí)際使用功能布局為：西側(cè)區(qū)域及北側(cè)區(qū)域?yàn)槊?、黃土等原料堆放場所，東南區(qū)域成品煤儲(chǔ)存場所，如圖2所示。

圖2 某輕鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤廠房內(nèi)部實(shí)際情況

現(xiàn)場對(duì)結(jié)構(gòu)外觀的普查發(fā)現(xiàn)，由于廠房內(nèi)材料堆放不規(guī)范，其圍護(hù)砌體墻受到廠房內(nèi)堆土擠壓出現(xiàn)不同程度的裂縫和變形。其中，西側(cè)山墻局部磚砌體墻出現(xiàn)平面外變形，變形區(qū)域范圍約1 650 mm×350 mm，墻體平面外錯(cuò)動(dòng)最大30 mm，裂縫寬度約15 mm；北側(cè)磚砌體墻出現(xiàn)通長裂縫，裂縫長約12 000 mm，寬度約20 mm，平面外錯(cuò)動(dòng)最大38 mm。

2.2 構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)變形檢查

結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件發(fā)生損傷變形和銹蝕，節(jié)點(diǎn)連接處的高強(qiáng)度螺栓有較嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象、構(gòu)造措施不符合規(guī)范等問題，如圖3所示。

1）鋼柱變形情況檢查。廠房內(nèi)常有大型裝載機(jī)等車輛進(jìn)入工作，部分鋼柱可能受其撞擊發(fā)生變形。其中，2-F軸中柱受撞擊翼緣出現(xiàn)明顯凹陷變形，變形部位距地面約0.93 m，變形范圍高約600 mm，翼緣變形最大處向內(nèi)凹陷約56 mm。且該結(jié)構(gòu)個(gè)別鋼柱存在柱腳墊板缺失、錨栓螺母缺失和錨栓銹蝕等問題，如圖3（a），圖3（b）所示。2）梁梁節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)連接檢查。該結(jié)構(gòu)部分梁梁、梁柱節(jié)點(diǎn)存在螺栓松動(dòng)、螺栓銹蝕嚴(yán)重和節(jié)點(diǎn)板連接不緊密等問題。部分拼接節(jié)點(diǎn)螺栓預(yù)緊力未達(dá)到規(guī)范相關(guān)要求，且選用螺栓的規(guī)格與原設(shè)計(jì)圖紙存在差異；個(gè)別梁梁節(jié)點(diǎn)和梁柱節(jié)點(diǎn)拼接處節(jié)點(diǎn)板存在錯(cuò)位或變形情況，如圖3（c）所示。

圖3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)變形及構(gòu)造問題

2.3 構(gòu)件截面尺寸及鋼材強(qiáng)度復(fù)核

現(xiàn)場抽取13榀鋼桁架中的44根H型鋼梁和18根H型鋼柱，采用JITAI-510型超聲測厚儀、游標(biāo)卡尺等設(shè)備對(duì)構(gòu)件的截面尺寸進(jìn)行復(fù)核，檢測結(jié)果顯示，所抽檢鋼梁和鋼柱的截面尺寸均符合原設(shè)計(jì)要求。另外，采用YLK-110型里氏硬度計(jì)對(duì)構(gòu)件的材料強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果表明，所抽檢鋼材強(qiáng)度達(dá)到Q345B鋼的設(shè)計(jì)要求。

2.4 結(jié)構(gòu)及構(gòu)件變形觀測

1）地基基礎(chǔ)相對(duì)沉降變形現(xiàn)狀觀測?，F(xiàn)場采用全站儀分別對(duì)南、北兩側(cè)鋼柱的相對(duì)沉降變形進(jìn)行觀測。本次沉降觀測為單次觀測，不能反映地基基礎(chǔ)的連續(xù)變形情況。且由于現(xiàn)場觀測條件限制，測量時(shí)劃分了不同測區(qū)，故沉降觀測只通過其規(guī)律性來判斷地基基礎(chǔ)變形的現(xiàn)狀。根據(jù)觀測結(jié)果，該廠房南側(cè)（A軸）和北側(cè)（L軸）鋼柱均呈現(xiàn)出明顯的由東向西沉降逐漸增大的規(guī)律性，如圖4，圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場普查結(jié)果分析，認(rèn)為廠房內(nèi)部材料堆放不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)西側(cè)地基產(chǎn)生不均勻沉降，可能是使得西側(cè)邊柱沉降較嚴(yán)重的主要原因之一。

圖4 結(jié)構(gòu)A軸鋼柱相對(duì)沉降量

圖5 結(jié)構(gòu)L軸鋼柱相對(duì)沉降量

2）廠房中柱垂直度。通過采用全站儀對(duì)該結(jié)構(gòu)F軸中柱垂直度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)部分中柱存在一定程度的傾斜，柱平面內(nèi)頂點(diǎn)水平位移為40 mm～77 mm之間，其中3-F柱傾斜嚴(yán)重，頂點(diǎn)平面內(nèi)最大位移為77 mm，超過GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［14］表7.3.9規(guī)定的H/400的限值要求。本次抽檢的中列鋼柱中有75%不滿足該要求。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，認(rèn)為其原因是結(jié)構(gòu)的中柱列缺少柱間支撐及結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)存在不均勻沉降。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)整體承載力計(jì)算分析

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場檢測結(jié)果，采用PKPM對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并計(jì)算其整體承載力。建模時(shí)假定構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)均為理想狀態(tài)，基本荷載的取值依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總說明和GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［15］，作用分項(xiàng)系數(shù)依據(jù)GB 50068—2018建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［16］取γG=1.3，γQ=1.5。計(jì)算結(jié)果表明，在理想條件下，該門式剛架結(jié)構(gòu)的部分梁和中柱不滿足平面外穩(wěn)定的要求。

3.2 受損構(gòu)件剩余承載力分析

考慮到PKPM無法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在包含受損構(gòu)件的實(shí)際情況下的承載力分析，故采用ABAQUS有限元軟件對(duì)受損鋼柱展開進(jìn)一步研究?？紤]到受損H型鋼柱實(shí)際情況較復(fù)雜，為簡化建模及計(jì)算過程，對(duì)模型做出以下假設(shè)：1）僅考慮沖擊荷載對(duì)鋼柱造成的幾何尺寸影響，忽略沖擊荷載對(duì)鋼材性能的損傷，忽略材料可能已進(jìn)入塑性狀態(tài)的情形，忽略翼緣與腹板處的殘余應(yīng)力；2）經(jīng)現(xiàn)場檢查，2-F軸受損柱節(jié)點(diǎn)連接良好，故假設(shè)螺栓連接良好，端板無變形，且將梁柱連接與端板連接均簡化為Tie連接。損傷中柱簡化示意圖如圖6所示。

圖6 受損中柱簡化示意圖

分別建立理想狀態(tài)和實(shí)際損傷狀態(tài)下的H型鋼柱單構(gòu)件及平面剛架結(jié)構(gòu)有限元模型。

1）單鋼柱承載力分析。H型鋼柱承載力分析采用殼單元建模，網(wǎng)格采用四節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性減縮積分殼單元（S4R）；網(wǎng)格尺寸全局采用50 mm，損傷部位網(wǎng)格局部細(xì)化處理。模型邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖7所示。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，鋼材選用Q345B，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=305 MPa，抗拉強(qiáng)度fu=470 MPa，屈服強(qiáng)度fy=470 MPa，彈性模量E=2.1×106MPa，泊松比μ=0.3。分別基于兩種破壞準(zhǔn)則對(duì)單根鋼柱承載力進(jìn)行分析：抗壓強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則認(rèn)為柱最大應(yīng)力達(dá)到鋼材抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值即破壞，極限承載力破壞準(zhǔn)則認(rèn)為柱發(fā)生受壓破壞時(shí)為極限狀態(tài)。圖8為抗壓強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則下理想柱與受損柱的Mises應(yīng)力云圖，由圖8可知，理想柱最大應(yīng)位于柱腳處，受損柱最大應(yīng)力位于受損區(qū)域翼緣與腹板拼接處。圖9為抗壓強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則下時(shí)理想柱與受損柱的承載力-位移曲線，結(jié)果顯示受損柱極限承載力與位移分別為了降低26.6%與25.2%，且受損柱初始受壓剛度降低1.94%。圖10為極限承載力破壞準(zhǔn)則下理想柱與受損柱極限變形情況（變形放大100倍）。結(jié)果表明，理想柱柱腳發(fā)生屈曲導(dǎo)致柱發(fā)生破壞；受損柱柱腳屈曲前，受損區(qū)域翼緣先發(fā)生屈曲，導(dǎo)致柱破壞。圖11為極限狀態(tài)下鋼柱的受力分布情況，可以看到，理想柱基本為軸心受壓破壞；而受損柱同時(shí)受彎、剪、壓三種力作用，破壞模式較復(fù)雜，且軸力于受損區(qū)域發(fā)生偏心作用，為受損區(qū)壓彎破壞。

圖7 單鋼柱構(gòu)件模型邊界條件及網(wǎng)格劃分示意圖

圖8 抗壓強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則下鋼柱柱腳應(yīng)力云圖

圖9 抗壓強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則下鋼柱承載力曲線

圖10 極限承載力破壞準(zhǔn)則下鋼柱變形圖

圖11 極限承載力破壞準(zhǔn)則下鋼柱受力分布圖

表1為抗壓強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和極限承載力破壞準(zhǔn)則下理想柱與受損柱極限承載力和失效位移對(duì)比，在僅考慮構(gòu)件變形而未考慮構(gòu)件屈曲和材料強(qiáng)度降低情況下，受損鋼柱承載力仍有明顯降低。

表1 兩種破壞準(zhǔn)則下受損柱與理想柱承載力參數(shù)對(duì)比

2）平面剛架結(jié)構(gòu)承載力分析。平面剛架結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元建模，網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分（C3D8R）；網(wǎng)格單元尺寸柱構(gòu)件取75 mm，梁構(gòu)件取100 mm。平面剛架模型如圖12，圖13所示。依據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)說明，恒載為0.30 kN/m2，活載為0.35 kN/m2，分項(xiàng)系數(shù)為γG=1.3，γQ=1.5；基本風(fēng)壓為0.5 kN/m2，不考慮地震荷載作用。分析該平面剛架在豎向荷載及在豎向荷載+水平風(fēng)荷載作用下的受力情況。

圖12 平面剛架模型邊界條件示意圖

圖13 平面剛架模型加載示意圖

分析結(jié)果表明，在豎向荷載與水平風(fēng)荷載共同作用下，考慮到中柱受損位置，受損中柱對(duì)右風(fēng)的敏感性更強(qiáng)。右風(fēng)荷載作用下，受損中柱最大應(yīng)力位于受損翼緣與腹板交接處，其最大應(yīng)力值為左風(fēng)荷載下的1.34倍。

不同風(fēng)荷載作用下受損中柱受力分布如圖14所示。風(fēng)荷載對(duì)受損柱的軸力影響不大；但是對(duì)受損柱彎矩影響較大，無風(fēng)荷載時(shí)鋼柱反彎點(diǎn)位于受損區(qū)域，風(fēng)荷載作用下反彎點(diǎn)向鋼柱上部移動(dòng)，且風(fēng)向變化使得彎矩方向發(fā)生變化；同時(shí)風(fēng)荷載對(duì)剪力值影響也有一定影響。

圖14 風(fēng)荷載對(duì)受損中柱受力情況的影響

不同風(fēng)荷載作用下受損中柱與理想中柱的受力情況對(duì)比如圖15所示。受損中柱與理想中柱的受力情況存在一定差異。分析結(jié)果表明，左風(fēng)荷載下，受損柱受損區(qū)域彎矩值較理想柱增加17.97%，剪力值增加4.10%；右風(fēng)荷載作用下，受損中柱底部最大應(yīng)力值是理想中柱的1.52倍。由于建模假設(shè)中未考慮構(gòu)件進(jìn)入塑性、未考慮沖擊荷載對(duì)鋼材性能的損傷以及節(jié)點(diǎn)連接假設(shè)等原因，分析結(jié)果與實(shí)際值存在一定誤差。

圖15 風(fēng)荷載作用下受損柱與理想柱受力情況對(duì)比

結(jié)合3.1節(jié)PKPM驗(yàn)算結(jié)果，理想條件下結(jié)構(gòu)中個(gè)別梁、柱的穩(wěn)定性不滿足要求；結(jié)構(gòu)承載力因鋼柱變形而顯著降低，且梁、柱的承載力和穩(wěn)定性也有所下降，不符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 鑒定評(píng)級(jí)及加固對(duì)措

根據(jù)GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)［14］，鑒定單元取為建筑整體結(jié)構(gòu)，包括地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)和維護(hù)結(jié)構(gòu)3個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。結(jié)合前文對(duì)該廠房的現(xiàn)場檢測及針對(duì)理想結(jié)構(gòu)和受損結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)子單元評(píng)級(jí)如表2所示，綜合考慮各子單元評(píng)級(jí)結(jié)果，將該建筑整體結(jié)構(gòu)可靠性等級(jí)評(píng)為Csu級(jí)，不符合正常安全使用要求，建議立即采取以下措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固：

表2 輕鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤場可靠性綜合鑒定評(píng)級(jí)

1）考慮到因廠房內(nèi)材料堆放不合理導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降，建議對(duì)建筑使用功能進(jìn)行重新規(guī)劃調(diào)整，避免在后續(xù)使用過程中再次對(duì)結(jié)構(gòu)造成影響。2）對(duì)發(fā)生局部變形的中柱采用增大截面法外包鋼板進(jìn)行加固，并在鋼柱根部外包鋼筋混凝土（混凝土厚200 mm，高1 200 mm），以防其再次受撞擊。3）考慮到原有磚砌體圍護(hù)墻平面外變形嚴(yán)重，且砌體結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向壓力的能力較差，建議將原磚砌體圍護(hù)墻拆除，采用鋼筋混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

本文依托于某輕型鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤廠房典型工程，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)其存在以下問題：由于結(jié)構(gòu)特殊的使用環(huán)境以及日常維護(hù)不及時(shí)，導(dǎo)致部分構(gòu)件銹蝕情況較嚴(yán)重；廠房使用功能改變和不合理的材料堆放，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降；鋼柱在撞擊作用下發(fā)生局部變形與傾斜，降低了結(jié)構(gòu)承載力。通過PKPM和ABAQUS軟件分別研究了理想條件下與含受損鋼柱的平面剛架結(jié)構(gòu)的承載力，結(jié)果表明，中柱發(fā)生變形后顯著削弱了結(jié)構(gòu)承載力。最后，針對(duì)以上問題，提出了相應(yīng)的加固改造措施。

依據(jù)對(duì)該輕型鋼結(jié)構(gòu)儲(chǔ)煤廠房典型案例的檢測鑒定經(jīng)驗(yàn)，在類似此非正常使用條件的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)關(guān)注以下3個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)使用功能發(fā)生較大改變時(shí)，必須根據(jù)構(gòu)件的實(shí)際情況重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，以檢測其安全性，并采取相應(yīng)的加固或改造措施；2）針對(duì)有特殊使用功能或特殊使用環(huán)境的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行定期維護(hù)，保障結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性；3）構(gòu)件變形損傷會(huì)顯著降低結(jié)構(gòu)的承載性能，廠房在工作期間應(yīng)避免主要構(gòu)件受到機(jī)械的撞擊作用。