某游泳館鋼屋蓋檢測及鑒定分析研究

方　林，李承銘

（華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200041）

1　工程概況

該游泳館結(jié)構(gòu)分為主體混凝土結(jié)構(gòu)和屋蓋鋼結(jié)構(gòu)兩大部分。主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的核心部分是一對82 m跨度的中央主桁架，由3根鋼管組成空間桁架體系，主桁架和11榀單層橫向桿系、邊柱系共同組成完整的屋蓋體系，最高處有21.356 m，最低處有5.4 m，如圖1和圖2所示。屋蓋體系總體上屬于空間鋼管桁架體系，采用的鋼管截面尺寸（外徑×壁厚、單位：mm）包括273×8、457×10、610×16、711×16、711×20，鋼管和鋼板材質(zhì)均采用低合金鋼Q345C。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)采用鋼管相貫焊接節(jié)點形式，焊縫均按全熔透焊縫進行施工。鋼屋蓋弦桿（等厚、不等外徑）接長時采用對接焊縫連接。

圖1　某游泳館鋼屋蓋內(nèi)景

圖2　鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置

游泳館于2008年建成，近期在使用過程中，發(fā)現(xiàn)鋼屋蓋部分桿件連接節(jié)點局部區(qū)域防腐防火涂層開裂、起殼、剝落，鋼材表面有銹蝕現(xiàn)象。

2　現(xiàn)場檢測調(diào)查

2.1　結(jié)構(gòu)布置、主要桿件截面尺寸復核

對游泳館鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)布置現(xiàn)狀進行了細致的調(diào)查和復核，并采用三維激光掃描儀 （型號：Leica Scan Station C10）對鋼屋蓋進行了全景掃描，三維激光掃描儀效果圖如圖3所示。采用鋼卷尺、卡規(guī)、超聲波測厚儀以及三維激光掃描儀掃描結(jié)果對鋼屋蓋的弦桿、腹桿、橫向桿系、支撐桿系等外徑、壁厚進行了抽樣檢測與復核。檢測結(jié)果表明：游泳館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)布置與原設(shè)計圖紙完全一致，鋼屋蓋所采用的鋼管的截面尺寸與原設(shè)計圖紙基本吻合，桿件外徑和壁厚偏差均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

圖3　三維激光掃描儀效果圖

2.2　鋼材強度檢測

根據(jù)國家標準《金屬材料里氏硬度試驗》[1]及《黑色金屬硬度及強度換算值》[2]，采用里氏硬度計對鋼屋蓋主要受力桿件的鋼材強度進行了抽樣檢測。里氏硬度平均值在415～517之間，換算得到的抗拉強度值在484～778 MPa之間，鋼材強度滿足原設(shè)計Q345C的要求。

2.3　焊縫質(zhì)量檢測

根據(jù)國家標準《焊縫無損檢測超聲檢測技術(shù)、檢測等級和評定》[3]，采用超聲波探傷儀對鋼屋蓋連接焊縫質(zhì)量進行了抽樣檢測。原設(shè)計時，鋼管桁架結(jié)構(gòu)焊縫均按全熔透焊縫進行施工，支座節(jié)點的焊縫按一級焊縫標準進行檢驗及探傷，其余部分按一級焊縫標準進行制作，按二級焊縫標準進行檢驗及超聲波探傷。檢測結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)連接焊縫質(zhì)量滿足原設(shè)計要求。

2.4　涂層厚度檢測

采用涂層測厚儀對鋼屋蓋桿件表面的涂層厚度進行了抽樣檢測。原設(shè)計時，鋼結(jié)構(gòu)表面防腐涂層底漆采用無機富鋅涂料二道，干膜總厚度為160 μm；防火等級為一級，防火涂層厚度不詳，根據(jù)《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》[4]規(guī)定，超薄型鋼結(jié)構(gòu)防火涂料涂層厚度小于或等于3 mm。

檢測結(jié)果表明，桿件表面的涂層厚度在671～1 817 μm之間，涂層厚度較不均勻，總厚度值偏小。

2.5　鋼屋蓋損傷狀況檢測

現(xiàn)場對游泳館鋼屋蓋的損傷狀況進行了詳細的檢測調(diào)查，目前存在的損傷狀況（見圖4）主要為：（1）部分桿件連接節(jié)點區(qū)域防腐防火涂層開裂、起殼、剝落，剝落處鋼材表面銹蝕現(xiàn)象普遍；（2）部分桿件表面涂層有流掛、龜裂、破損、受潮現(xiàn)象；（3）部分上弦桿與加強環(huán)角焊縫連接處，涂層起殼、剝落，鋼材表面有銹蝕現(xiàn)象；（4）部分桿件及屋面金屬板表面有漏水痕跡；（5）部分鋼屋蓋支撐鋼柱外包混凝土開裂、脫落。除上述外，鋼屋蓋總體施工質(zhì)量較好，防腐防火涂層無嚴重皺皮、流掛、粉化、失色、霉變、開裂、起殼、剝落現(xiàn)象，防腐防火涂層包覆完好位置的桿件無銹蝕現(xiàn)象，全熔透相貫焊縫飽滿，鋼屋蓋主體結(jié)構(gòu)完好無損。

2.6　鋼桿件銹蝕情況檢測

根據(jù)鋼屋蓋損傷狀況檢測結(jié)果，鋼屋蓋部分桿件連接節(jié)點局部區(qū)域防腐防火涂層起殼、剝落，鋼材表面有銹蝕現(xiàn)象。為進一步了解鋼材的銹蝕程度，現(xiàn)場采用超聲波測厚儀對涂層剝落處桿件的壁厚進行了抽樣檢測，并與桿件未銹蝕位置的壁厚進行了對比，檢測前采用砂輪對銹蝕位置進行了清理直至露出金屬光澤。檢測結(jié)果表明，涂層起殼剝落處鋼材表面銹蝕，但銹蝕深度很淺，可不考慮對結(jié)構(gòu)承載能力的影響。

3　抗震性能分析評估

該游泳館為丙類建筑（標準設(shè)防類），抗震設(shè)防烈度為7度。根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)檢測與鑒定技術(shù)規(guī)程》[5]第7.5.13條規(guī)定，空間鋼結(jié)構(gòu)第一級鑒定應按照現(xiàn)行國家相應設(shè)計規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)的一般規(guī)定及抗震構(gòu)造要求進行。第二級鑒定應按結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)建立計算模型，按現(xiàn)行規(guī)定進行結(jié)構(gòu)抗震驗算。

游泳館鋼屋蓋采用空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)，按照國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[6]的有關(guān)章節(jié)規(guī)定對該鋼屋蓋結(jié)構(gòu)進行抗震鑒定。

圖4　鋼屋蓋損傷狀況

3.1　抗震措施鑒定

根據(jù)國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[6]第10.2節(jié)有關(guān)規(guī)定，對鋼屋蓋進行抗震措施鑒定，主要鑒定內(nèi)容包括屋蓋及其支承結(jié)構(gòu)的選型和布置、屋蓋鋼桿件的長細比限值、屋蓋構(gòu)件節(jié)點的抗震構(gòu)造、支座的抗震構(gòu)造等?？拐鸫胧╄b定結(jié)果表明，游泳館鋼屋蓋的各項抗震措施滿足規(guī)范要求。

3.2　抗震承載力驗算根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果和原設(shè)計

有關(guān)圖紙資料，結(jié)合房屋使用現(xiàn)狀，對游泳館鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)抗震承載力進行驗算，計算采用北京邁達斯技術(shù)有限公司的通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計軟件Midas Gen。根據(jù)國家標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[6]，鋼屋蓋阻尼比近似取0.03，地震作用考慮三向地震作用效應的組合，豎向地震影響系數(shù)取水平地震影響系數(shù)的65%。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10 g，地震分組為第一組，場地類別為IV類。風荷載基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為B類。現(xiàn)場檢測結(jié)果表明鋼材強度滿足原設(shè)計材料強度Q345C的要求，結(jié)構(gòu)承載力驗算過程中材料強度取原設(shè)計值。

結(jié)合鋼屋蓋原設(shè)計有關(guān)圖紙資料，屋面上主要考慮的恒載、活載等取值詳見表1。馬道、風道支架、幕墻荷載結(jié)合實際情況取值，并施加在相應位置的鋼管桁架節(jié)點處。

經(jīng)驗算，該鋼屋蓋弦桿、腹桿、橫向桿系等桿件的強度應力比、穩(wěn)定應力比計算結(jié)果如圖5所示。

表1　屋面上主要考慮的恒載、活載等取值

抗震承載力驗算結(jié)果表明，鋼屋蓋桿件的長細比、強度應力比、穩(wěn)定應力比、剪應力比均滿足規(guī)范要求。鋼屋蓋結(jié)構(gòu)變形圖如圖6所示，計算最大撓度發(fā)生在鋼屋蓋主桁架下弦中間位置，其值為91 mm，小于規(guī)范允許的限制l/250=52 910/250=211 mm（l為屋蓋結(jié)構(gòu)短向跨度），滿足規(guī)范要求。

圖5　鋼屋蓋組合應力比驗算結(jié)果

圖6　鋼屋蓋結(jié)構(gòu)變形圖（撓度）

4　分析與評估

4.1　銹蝕原因分析

鋼屋蓋部分桿件連接節(jié)點區(qū)域防腐防火涂層開裂、起殼、剝落，剝落處鋼材表面銹蝕現(xiàn)象普遍，對鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性會產(chǎn)生嚴重的影響，分析其原因主要包括：

（1）涂層剝落、鋼材表面銹蝕位置基本上都位于桿件焊接節(jié)點區(qū)域，可能是工地現(xiàn)場焊接部位及兩側(cè)一定范圍，施工時未按照要求清除焊渣，表面處理未達到相應要求，未按設(shè)計要求方法用同種涂料補涂。

（2）游泳館設(shè)計時，鋼屋蓋中間部位建筑上開創(chuàng)性的采用可開啟的天窗（大窗與側(cè)窗），形成自然采光和通風的效果，以節(jié)約能源并降低日常經(jīng)營的費用；根據(jù)管理人員反映，游泳館使用過程中，可開啟的天窗基本未投入使用過，僅依靠位于場館兩側(cè)的通排風系統(tǒng)，是否長期正常運行無法考證，可能會引起鋼桁架空間范圍內(nèi)空氣不流通、悶熱、濕度大，惡化了鋼結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境。

（3）由于游泳池消毒藥品往往含有對鋼材腐蝕性較強的氯離子，其揮發(fā)到空氣中也會惡化鋼屋蓋的使用環(huán)境。

4.2　處理意見

綜合考慮鋼屋蓋的抗震措施和現(xiàn)有的抗震承載力，游泳館鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)抗震性能滿足抗震鑒定要求，但應對鋼屋蓋目前存在的損傷狀況盡快進行維修加固處理[7]，現(xiàn)提出如下維修加固處理建議：

（1）對銹蝕處應先進行除銹處理，達到規(guī)范要求的除銹等級并清理干凈，然后涂刷防腐防火涂層，防腐防火涂層質(zhì)量應滿足原設(shè)計要求，并做好與周邊原有涂層的連接，新的涂層應與周邊原有的涂層外觀平整一致。

（2）部分桿件表面涂層有流掛、開裂、破損、受潮等現(xiàn)象，對損壞處涂層應進行清除并清理干凈，然后涂刷防腐防火涂層，防腐防火涂層質(zhì)量應滿足原設(shè)計要求，并做好與周邊原有涂層的連接，新的涂層應與周邊原有的涂層外觀平整一致。

（3）部分鋼柱外包混凝土有開裂、破損、脫落現(xiàn)象，存在安全隱患，應對損壞處混凝土進行鑿除，然后重新澆筑，混凝土強度等級應滿足原設(shè)計要求。

（4）屋面板漏水處需進行防水處理。

（5）加強游泳館運行期間的管理工作，嚴格執(zhí)行通風排氣制度，改善鋼屋蓋空間的使用環(huán)境。

（6）現(xiàn)場施工時，應進一步全面檢查鋼屋蓋桿件防腐防火涂層損傷的位置，對有損傷處都需進行維修保養(yǎng)。

5　結(jié)論

以某游泳館鋼屋蓋結(jié)構(gòu)為實例，詳細介紹了空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)場檢測與抗震鑒定分析方法，得出以下主要結(jié)論：

（1）針對采用空間鋼管桁架體系的鋼屋蓋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場需對鋼屋蓋的結(jié)構(gòu)平面布置、主要構(gòu)件截面尺寸、鋼材強度、焊縫質(zhì)量、桿件表面涂層厚度、使用及損傷狀況、鋼桿件銹蝕深度等進行詳細檢測和調(diào)查，以便正確評定鋼屋蓋的抗震性能和提出相應的維修處理加固建議。

（2）針對空間鋼結(jié)構(gòu)一般凈空高、跨度大等特點，當現(xiàn)場技術(shù)人員無檢測條件時，需借助登高設(shè)備，具體實施困難較大且存在一定的安全風險，此時可采用三維激光掃描技術(shù)及建模分析處理方法，對結(jié)構(gòu)整體布置、桿件截面尺寸、變形等進行測量，極大的提高工作效率，可為類似工程提供參考和借鑒。

（3）鋼屋蓋部分桿件連接節(jié)點區(qū)域防腐防火涂層開裂、起殼、剝落，剝落處鋼材表面銹蝕現(xiàn)象普遍，對鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的適用性和耐久性會產(chǎn)生嚴重的影響，對于處于惡劣工作環(huán)境中的鋼結(jié)構(gòu)，要特別注意鋼結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計和使用過程中的通風處理，工地現(xiàn)場焊接部位涂料補涂要嚴格按照設(shè)計要求處理。

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