大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全性診斷與分析

楊明飛(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

邵浩，王天坤，徐穎，宗翔(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

涂剛要(合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

20世紀80年代，國家建造了一些大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，大部分目前仍在繼續(xù)服役，但部分結(jié)構(gòu)在使用的過程中出現(xiàn)了很多問題[1，2]。近年來建筑結(jié)構(gòu)鑒定和加固技術(shù)的快速發(fā)展[3]，對該類型的建筑進行安全可靠性的評定勢在必行[4，5]。尤其是符合現(xiàn)在提出的全壽命周期設(shè)計的理念，希望既有建筑結(jié)構(gòu)在超越使用年限后[6]，仍能夠保持或者經(jīng)過適當?shù)男迯腿阅鼙３制鋺?yīng)有的功能及結(jié)構(gòu)安全性[7，8]。筆者以某既有大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程的安全可靠性鑒定為例，對該類型結(jié)構(gòu)的安全性進行了評估，同時得出了一些相關(guān)結(jié)論，為后續(xù)的相關(guān)工作奠定了基礎(chǔ)。

1 某既有大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程及外觀檢測

該項目位于淮南市某區(qū)，設(shè)計建造于1984年，主體為鋼筋混凝土柱支撐大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，填充墻為實心黏土磚，磚砌體標號為75#，使用25#水泥石灰混合砂漿砌筑(原設(shè)計中注明)。鋼筋混凝土柱采用200#混凝土澆筑，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用螺栓球節(jié)點連接，桿件截面100mm×5mm。接受委托，按照現(xiàn)行《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)[9]的要求對網(wǎng)架及支撐結(jié)構(gòu)進行了安全性可靠性鑒定，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外觀及檢測示意圖如圖1所示。

外觀檢測結(jié)果表明，整體結(jié)構(gòu)基本完好，支撐鋼筋混凝土柱及維護墻體除局部抹灰層脫落外，未見主體結(jié)構(gòu)有明顯破損。大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面外觀良好，未見明顯破損，僅在西南角處，由于填充墻連接部位破損，造成局部漏水，但不影響主體結(jié)構(gòu)安全性。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上部采用木質(zhì)屋面，屋面防水材料不詳，未發(fā)現(xiàn)屋面有漏水點，但由于建造時間較長，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的部分桿件有銹蝕情況。

2 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)原位檢測

2.1 鋼筋混凝土柱回彈強度檢測

根據(jù)大跨網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)類型及現(xiàn)場實際情況，依據(jù)國家標準《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》(GB/T50344-2004)[10]及行業(yè)標準《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T23-2011)[11]，對該大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)混凝土柱進行隨機抽樣(抽樣比例不小于30%且不宜少于10件)回彈檢測，典型的回彈測區(qū)如圖2所示。檢測結(jié)果顯示，混凝土強度回彈修正值達到21.3MPa，碳化深度檢測結(jié)果顯示超出6mm。

圖1 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

圖2 混凝土回彈測區(qū)示意

圖3 鋼筋混凝土柱中銹蝕箍筋

2.2 鋼筋混凝土柱內(nèi)部鋼筋間距檢測

對大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的主要支撐構(gòu)件(柱)內(nèi)部鋼筋間距的檢測，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204-2015)[12]進行了批量測試，抽檢比例為2%，儀器采用P.S-1000 混凝土結(jié)構(gòu)掃描儀(工程雷達)、一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)和鋼尺。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)[13]及原始設(shè)計圖紙推定出柱內(nèi)部鋼筋的原始間距，再與檢測結(jié)果作比較。通過比較可知，鋼筋混凝土柱中縱筋實測間距均與推定的設(shè)計值相差不大，檢測點的合格率達到75.9%，柱子中的箍筋加密及非加密區(qū)間距的合格率為76.6%。

2.3 鋼筋混凝土柱保護層厚度及截面尺寸檢測

1)保護層厚度檢測 采用一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)對鋼筋混凝土柱子保護層厚度進行了檢測，依據(jù)標準《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204-2015)，非懸挑構(gòu)件抽檢最低比例2%。檢測結(jié)果與原始設(shè)計推定值比較可知，鋼筋混凝土柱保護層厚度檢查點合格率89.3%，但是去除抹灰層厚度的過程中發(fā)現(xiàn)有一根混凝土柱出現(xiàn)箍筋裸露銹蝕，如圖3所示。

2)截面尺寸檢測 采用鋼尺對鋼筋混凝土柱截面尺寸進行了批量檢測，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204-2015)和《民用建筑可靠性鑒定標準》 (GB50292-2015)進行測試，抽檢最低比例為1%且不應(yīng)少于3個構(gòu)件。測試結(jié)果顯示，鋼筋混凝土柱截面尺寸合格率為100%，符合設(shè)計要求?？蚣苤鵝6檢測結(jié)果如表1所示，其中容許偏差范圍為-5～+10mm。

表1 框架柱Z6檢測結(jié)果

2.4 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度檢測

1)檢測方法 按照《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ 8-2007)[14]和《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205-2001)[15]的要求，采用全站儀對該大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點進行撓度檢測，測試點分布如圖4所示。

2)檢測數(shù)據(jù) 經(jīng)過測試，中心點M108測試結(jié)果顯示坐標Z，Y，Z：1.093m，-1.154m，11.679m；周邊測試點位數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 點位測試結(jié)果

3)檢測結(jié)論 根據(jù)測試結(jié)果計算相對撓度，最大值為59mm，平均值42.5mm，按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205-2001)相關(guān)規(guī)定，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體撓度不應(yīng)超過ls/250(ls為短向網(wǎng)架軸距)，經(jīng)計算該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大撓度不應(yīng)超過104mm，因此大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的撓度變形滿足要求。

2.5 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件銹蝕檢測

由于大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為20世紀80年代建造，且后期維護不到位，導致部分構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，典型的銹蝕情況如圖5所示。

根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.3節(jié)規(guī)定，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕情況，但銹蝕深度較小，多數(shù)桿件和螺栓球表面油漆防銹層起泡，部分出現(xiàn)脫落，因此銹蝕等級評定為Cu級，需要后續(xù)修復。

兩種數(shù)據(jù)格式，并且提供全自動流程化的方式，應(yīng)用CASS軟件采集的CAD數(shù)據(jù)來創(chuàng)建一個臨時庫，點擊“導入的數(shù)據(jù)”，選擇“導入QS等地籍格式數(shù)據(jù)”即可提取房屋、宗地、界址點、界址線等地籍數(shù)據(jù)，從而完成城鎮(zhèn)地籍數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

3 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 靜力分析

使用有限元軟件ANSYS對大跨網(wǎng)架及其支撐-鋼筋混凝土柱進行了數(shù)值建模，混凝土柱均選擇beam188單元模擬，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的桿件選擇pipe20單元模擬，屬性設(shè)置均按照現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)采用，混凝土采用C20，鋼材采用Q235，考慮大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件的銹蝕情況，將鋼材的彈性模量降低10%。在靜力荷載作用下，整體結(jié)構(gòu)的模型及靜力作用下結(jié)構(gòu)的受力如圖6所示。

圖6 整體結(jié)構(gòu)模型及靜力分析結(jié)果

由圖6可知，在靜力荷載的作用下,大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的跨中及周邊支撐節(jié)點處應(yīng)力較大,其最大應(yīng)力發(fā)生支座位置,達到17.6MPa，最大豎向變形為2.2mm，滿足靜力承載及變形的要求。

3.2 模態(tài)分析

為了得到整體結(jié)構(gòu)的動力特性，利用有限元軟件ANSYS對大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體進行了分析，得出結(jié)構(gòu)的前4階振型，如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)振型圖

表3 整體結(jié)構(gòu)自振頻率

由圖7可知，受檢整體結(jié)構(gòu)第1振型為扭轉(zhuǎn)振動，符合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動力屬性特點。第2、3階振型均以大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的平動為主，其前10階自振頻率如表3所示。

通過模態(tài)分析，結(jié)果表明4階及以后的結(jié)構(gòu)自振頻率較為密集，說明大跨網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動力屬性滿足要求。

3.3 動力時程分析

考慮到淮南地區(qū)為7度抗震設(shè)防，依據(jù)現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010(2016版))[16]，利用峰值加速度為220g的3條地震波(Elcentro波、Taft波和人工波)對結(jié)構(gòu)進行了三向激勵，地震波的時長采用20s。在Elcentro波作用下，結(jié)構(gòu)整體受力和中心點水平位移如圖8所示。

由圖8可知，在Elcentro波激勵下，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐節(jié)點處，其值為189.0MPa，中心點X方向最大水平位移為82.6mm，Y向最大水平位移為113.9mm，因此層間最大相對彈塑性位移角為[1/87.8]，與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010(2016版))進行對比可知，結(jié)構(gòu)滿足彈塑性位移角限值[1/50]的要求[13]。

4 安全性鑒定

4.1 第1層次鑒定[構(gòu)件安全性評級Au、Bu、Cu、Du]

1)圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件 根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015第5.4節(jié)，圍護結(jié)構(gòu)-填充墻體，未觀察到有裂縫出現(xiàn)，整體外觀較好，圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全等級應(yīng)為Au級。

圖8 框架結(jié)構(gòu)受力與位移時程

2)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件 根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.2節(jié)，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支撐體系-鋼筋混凝土柱外觀良好，無明顯變形，回彈修正值達到21.3MPa，滿足原設(shè)計要求，僅在個別位置出現(xiàn)鋼筋裸露，但未發(fā)生嚴重銹蝕現(xiàn)象，因此鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全等級評定為Bu級。

根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.3節(jié)，大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體撓度滿足規(guī)范要求，因此大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全等級評定為Bu級。

4.2 第2層次鑒定[子單元安全性評級Au、Bu、Cu、Du]

1)承重結(jié)構(gòu)子單元 依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.2和7.3節(jié)，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件-鋼筋混凝土柱強度滿足要求，地基未出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，因此承重結(jié)構(gòu)子單元安全性等級評定為Bu級。

2)屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)子單元 依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.4節(jié)，由于大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)部分構(gòu)件銹蝕現(xiàn)象，油漆防銹層部分脫落，其承載能力受到一定的影響，因此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)子單元安全性等級評定為Bu級。

4.3 第3層次鑒定[鑒定單元(建筑)安全性評級Asu、Bsu、Csu、Dsu]

按照《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)的規(guī)定，同時考慮到整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降、承載能力及構(gòu)件銹蝕等問題，將整體結(jié)構(gòu)的安全性等級評定為Bsu級。

5 結(jié)論

以某既有大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)原型鑒定為例，經(jīng)過原位檢測和對采集的數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬分析，得出了以下結(jié)論：

1) 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面外觀良好，未見明顯破損，僅在西南角處，由于填充墻連接部位破損，造成局部漏水，但不影響主體結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性。整體結(jié)構(gòu)基本完好，支撐鋼筋混凝土柱及維護墻體除局部抹灰層脫落外，未見主體結(jié)構(gòu)有明顯破損。

2) 大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕情況，但銹蝕深度較小，多數(shù)桿件和螺栓球表面油漆防銹層起泡，部分出現(xiàn)脫落，因此銹蝕等級評定為Cu級，需要后續(xù)修復。

3) 經(jīng)數(shù)值模擬分析可知，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)仍滿足靜力承載、變形和自身動力屬性的要求；動力時程分析顯示，結(jié)構(gòu)滿足彈塑性位移角限值要求。

4) 綜合測試結(jié)果，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性等級被評定為Bsu級，今后的改造加固甚至拆除應(yīng)以此為基礎(chǔ)進行。

[參考文獻]

[1]聶祺，羅開海. 某劇場平板網(wǎng)架屋蓋鑒定與修復[J].工程抗震與加固改造，2017，39(S1)：125～130.

[2]張延年，王元清，石永久，等. 某網(wǎng)架結(jié)構(gòu)廠房雪災后安全性檢測[J]. 沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2009，25(5)：877～883.

[3]張鑫，李安起，趙考重.建筑結(jié)構(gòu)鑒定與加固改造技術(shù)的進展[J].工程力學，2011，28(1)：1～11.

[4]王子英.既有民用建筑可靠性鑒定及程序設(shè)計[D].天津：天津大學，2005.

[5]魏慶晨.已有建筑結(jié)構(gòu)可靠性鑒定的新方法研究[D].南寧：廣西大學，2002.

[6]蔣濟同，郭紅秋.不同后續(xù)使用年限結(jié)構(gòu)的鑒定加固問題[J].工業(yè)建筑，2011，41(S1)：894～898.

[7]顧祥林，許勇，張偉平.既有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全性分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2004，25(6)：117～122.

[8]唐寬.農(nóng)村砌體房屋危險性分析及處理方法研究[D].長沙：湖南大學，2011.

[9]GB50292-2015，民用建筑可靠性鑒定標準[S].

[10]GB/T50344-2004，建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準[S].

[11]JGJ/T23-2011，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程[S].

[12]GB50204-2015，混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[13]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[14]JGJ8-2007，建筑變形測量規(guī)范[S].

[15]GB50205-2001，鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].

[16]GB50011-2010(2016版)，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].