某演播廳屋面吊裝平臺(tái)實(shí)荷加載檢測研究

赫傳凱，隋明昊，任 琦，李宏達(dá)

（1.國家電子工程建筑及環(huán)境性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100142；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；3.中電投工程研究檢測評(píng)定中心有限公司，北京 100142）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，演播廳一類的公共建筑數(shù)量在我國顯著增長。這類建筑不僅結(jié)構(gòu)跨度大，而且使用功能復(fù)雜，常依托鋼結(jié)構(gòu)屋架設(shè)有吊裝平臺(tái)，以提升、吊運(yùn)各種設(shè)備，滿足演播需求。經(jīng)過一定的服役期之后，鋼結(jié)構(gòu)易因焊接失效或者銹蝕等原因，出現(xiàn)承載力下降或者變形超限的情況。

對(duì)于現(xiàn)有的屋架吊裝平臺(tái)而言，其結(jié)構(gòu)實(shí)際受力程度遠(yuǎn)超于設(shè)計(jì)時(shí)的理論假定。由于在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中進(jìn)行了簡化，多數(shù)已建的屋架吊裝平臺(tái)的約束條件均為彈性約束，均不是現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的簡支或嵌固形式。在通常設(shè)計(jì)計(jì)算中所考慮的內(nèi)力傳遞路徑是由上向下的，但屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)件在實(shí)際受力后的變形，往往會(huì)受到支座端部的約束而影響該構(gòu)件。結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的實(shí)際力學(xué)相互作用，會(huì)導(dǎo)致其與設(shè)計(jì)時(shí)的理論破壞形態(tài)完全不一樣。因此，對(duì)于已建屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)荷加載下的受力規(guī)律與設(shè)計(jì)的理論結(jié)果有一定的差別，但實(shí)荷加載結(jié)果更接近于實(shí)際情況。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行定期檢測，以保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性不受影響［1-3］。

1 工程概況

某演播廳結(jié)構(gòu)主體為鋼框架結(jié)構(gòu)，演播室屋蓋為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，通過在球節(jié)點(diǎn)上焊接槽鋼豎桿，在網(wǎng)架下方設(shè)置一層由槽鋼焊接形成的吊裝平臺(tái)。演播廳吊裝平臺(tái)標(biāo)高約為 12.620 m，主要用于吊裝演播用燈光舞美所需設(shè)備，該工程建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地面粗糙度：B 類，地基穩(wěn)定性：穩(wěn)定地基基礎(chǔ)，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為 8 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度 0.20g，設(shè)計(jì)地震分組：第二組，場地類別：Ⅲ 類，基本雪載：0.45 kN/m2，基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2（50 年一遇），風(fēng)載體型系數(shù)：1.40。根據(jù)甲方的意愿，在原結(jié)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)荷檢測。

吊裝平臺(tái)設(shè)計(jì)吊裝荷載主要分為以下 4 大類。

1）與鋼網(wǎng)架連接的豎桿（10# 槽鋼），設(shè)計(jì)吊裝荷載為 1 600 kg。

2）屋架吊裝鋼框架水平梁 1（14# 槽鋼），吊點(diǎn)間距≥2.8 m，設(shè)計(jì)吊裝荷載為 1 100 kg。

3）屋架吊裝鋼框架水平梁 2（10# 槽鋼），吊點(diǎn)間距≥4 m，設(shè)計(jì)吊裝荷載為 250 kg。

4）屋架吊裝鋼框架水平梁 3（8# 槽鋼），吊點(diǎn)間距≥1 m，設(shè)計(jì)吊裝荷載為 60 kg。

考慮使用用途，對(duì)演播廳吊裝平臺(tái)的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件（除水平梁 3 以外）進(jìn)行實(shí)荷檢測的荷載（見圖 1～圖 3）。

圖1 實(shí)荷檢測布點(diǎn)位置（單位：mm）

圖2 現(xiàn)場加載照片

圖3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集照片

1）與鋼網(wǎng)架連接的豎桿，最大吊裝荷載為 800 kg。

2）屋架吊裝鋼框架水平梁 1（14# 槽鋼），吊點(diǎn)間距≥2.8 m，最大吊裝荷載為 550 kg。

3）屋架吊裝鋼框架水平梁 2（10# 槽鋼），吊點(diǎn)間距≥4 m，最大吊裝荷載為 250 kg。

2 檢驗(yàn)依據(jù)和試驗(yàn)方案

2.1 檢驗(yàn)項(xiàng)目

1）演播大廳吊裝平臺(tái)實(shí)荷檢測［4，5］；

2）鋼框架水平梁 2（10# 槽鋼）承載力驗(yàn)算。

2.2 檢驗(yàn)鑒定依據(jù)

1）GB/T 50344－2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

2）GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。

3）GB 50205－2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》。

4）GB 50017－2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

5）JGJ 8－2016《建筑變形測量規(guī)范》。

6）GB/T 50621－2010《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

2.3 實(shí)荷加載方案和檢測過程

本次試驗(yàn)主要是模擬該屋架吊裝平臺(tái)接近于實(shí)際受力情況，因此該實(shí)荷加載試驗(yàn)主要以“內(nèi)力模擬”為主，而非簡單的“力學(xué)分析”。該實(shí)驗(yàn)具體步驟如下：①通過力學(xué)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析，得出屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)在原設(shè)計(jì)內(nèi)力包絡(luò)圖中的控制截面內(nèi)力值；②根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，選擇實(shí)荷加載的主要構(gòu)件，以及其相鄰區(qū)受力構(gòu)件的荷載分布；③選擇適宜的荷載值對(duì)不同構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)。最后根據(jù)荷載分布、大小情況和應(yīng)力集中特點(diǎn)，對(duì)于均布荷載作用下連續(xù)的條形構(gòu)件梁，其支座處受力轉(zhuǎn)動(dòng)的變形量較小，因此不考慮荷載隔跨分布造成的不利情況。應(yīng)根據(jù)該工程屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用功能，鋼框架恒荷載的標(biāo)準(zhǔn)值、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值、豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)組合（恒+活荷載標(biāo)準(zhǔn)值）及設(shè)計(jì)值，結(jié)合荷載主要傳遞路線進(jìn)行調(diào)配計(jì)算，其傳遞路徑為上部恒（活）荷一次梁一主梁一端部支座。

實(shí)荷加載檢測工作順序?yàn)椋何菁艿跹b平臺(tái)水平梁 1 和水平梁 2 實(shí)荷檢測同時(shí)進(jìn)行，最后進(jìn)行豎桿實(shí)荷檢測。吊裝平臺(tái)的實(shí)荷加載試驗(yàn)加載、卸載主要程序及相關(guān)參數(shù)如下。

1）豎桿：分 3 級(jí)加載，分別為 300、250、250 kg，加載完畢后保持 15 min，測量變形值，加載到最大荷載后，保持 1 h，每隔 15 min 檢測一次變形值，直到變形值不再明顯增加為止。

2）水平梁 1：分 3 級(jí)加載，分別為 200、200、150 kg，加載完畢后保持 15 min，測量變形值，加載到最大荷載后，保持 1 h，每隔 15 min檢測一次變形值，直到變形值不再明顯增加為止。

3）水平梁 2：分 3 級(jí)加載，分別為 100、75、75 kg，加載完畢后保持 15 min，測量變形值，加載到最大荷載后，保持 1 h，每隔 15 min 檢測一次變形值，直到變形值不再明顯增加為止。

4）卸載方式：分 3 級(jí)卸載，卸載重量與同級(jí)加載重量一致，在每一級(jí)卸載和卸載全部荷載后，測量變形值。使用 3D 掃描技術(shù)［6］對(duì)水平梁 1、水平梁 2、豎桿測點(diǎn)成像，如圖 4 和圖 5 所示。

圖4 屋架吊裝鋼框架水平梁 1 及水平梁 2 測點(diǎn) 3 D掃描實(shí)測圖

圖5 屋架吊裝鋼框架豎桿測點(diǎn) 3 D 掃描實(shí)測圖

3 演播大廳吊裝平臺(tái)實(shí)荷檢測結(jié)果

3.1 變形檢測結(jié)果

各測點(diǎn)實(shí)荷檢測各階段的變形值檢測結(jié)果如表 1 和表 2 所示，水平梁實(shí)荷加載各階段測點(diǎn)處變形量如圖 6 所示，豎桿實(shí)荷加載各階段測點(diǎn)處變形量如圖 7 所示。

表1 變形值檢測結(jié)果

表2 變形值檢測結(jié)果

圖6 水平梁實(shí)荷加載各階段測點(diǎn)處變形量

圖7 豎桿實(shí)荷加載各階段測點(diǎn)處變形量

檢測結(jié)果表明：所測屋架吊裝鋼框架水平梁 1（14 # 槽鋼）及水平梁 2（10 # 槽鋼）在所加載配重的全過程中，變形量均滿足 GB 50017－2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于工作平臺(tái)梁的撓度允許值 l/400 的要求；豎桿上吊裝荷載遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)荷載，加載時(shí)未發(fā)生明顯變形。

3.2 水平梁 2（10 # 槽鋼）承載力計(jì)算結(jié)果分析

采用某結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)屋架吊裝平臺(tái)水平梁 2（10 # 槽鋼）吊裝 250 kg 設(shè)備時(shí)吊裝工況下進(jìn)行承載力驗(yàn)算，依據(jù)該屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，搭建力學(xué)結(jié)構(gòu)單跨計(jì)算模型，依據(jù) GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的規(guī)定，采用懸掛荷載乘以動(dòng)力系數(shù)的方法進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，動(dòng)力系數(shù)選用最不利工況的 1.3，集中荷載作用在最不利的跨中位置，集中荷載設(shè)定為 3.25 kN，驗(yàn)算結(jié)果如圖 8、圖 9 所示。

圖8 10# 槽鋼承載力驗(yàn)算結(jié)果

圖9 10# 槽鋼撓度驗(yàn)算結(jié)果

本工程根據(jù)屋架吊裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)使用功能、驗(yàn)算得出的限值，考慮荷載長期作用的影響，本次加載試驗(yàn)的受彎構(gòu)件（水平梁）的撓度檢驗(yàn)應(yīng)滿足式（1）。

式中：αs0為實(shí)際荷載作用下構(gòu)件撓度檢驗(yàn)實(shí)測值；［αs］為受彎構(gòu)件的撓度檢驗(yàn)最大允許值。

本試驗(yàn)撓度檢驗(yàn)允許值為設(shè)計(jì)計(jì)算得出的理論值，應(yīng)滿足式（2）。

式中：［αf］為構(gòu)件撓度設(shè)計(jì)最大限值。當(dāng)本次加載試驗(yàn)達(dá)到S時(shí)，試驗(yàn)最大加載值為M時(shí)，θ為荷載長期作用下對(duì)撓度增大的影響系數(shù)，本次試驗(yàn)取θ=2.0。

計(jì)算結(jié)果分析：屋架吊裝平臺(tái)水平梁 2（10# 槽鋼）在 250 kg 吊裝工況下，槽鋼正應(yīng)力、穩(wěn)定應(yīng)力和剪切應(yīng)力均滿足相關(guān)規(guī)范要求，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全可靠。

4 結(jié)論及建議

本次現(xiàn)場實(shí)荷加載檢測屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)是成功的，采用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方法為推廣這種結(jié)構(gòu)技術(shù)提供了有力的技術(shù)保障，通過本次試驗(yàn)可以得到以下結(jié)論。

1）經(jīng)檢測，所檢屋架吊裝平臺(tái)水平梁 1、2 在所加載配重的全過程中，變形量均滿足 GB 50017－2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于工作平臺(tái)梁的撓度允許值 l/400 的要求，該結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全可靠。

2）屋架吊裝平臺(tái)水平梁2的動(dòng)力計(jì)算結(jié)果顯示 250 kg 吊裝工況下，槽鋼正應(yīng)力、穩(wěn)定應(yīng)力和剪切應(yīng)力均滿足滿足規(guī)范要求，為安全考慮，在使用過程中應(yīng)按設(shè)計(jì)圖紙要求吊裝設(shè)備，應(yīng)盡量靠近主梁即 14 # 槽鋼處吊裝，不得布置在 10 # 槽鋼跨中。

3）在使用過程中，每半年檢查一次豎桿及各水平梁間的焊接點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)裂縫及時(shí)處理，并加大定期檢查頻率。

4）該屋架吊裝平臺(tái)在試驗(yàn)荷載下能達(dá)到承載能力極限狀態(tài)，也能達(dá)到正常使用極限狀態(tài)；因此該平臺(tái)框架能滿足承載能力和正常使用要求。

5）該工程采用增加實(shí)際等效荷載的方式，其設(shè)計(jì)和計(jì)算是合理的，現(xiàn)場的試驗(yàn)效果較好。

6）該試驗(yàn)同時(shí)也確實(shí)證明了這種加載方式在現(xiàn)場檢測工作中是方便的、快捷的、高效的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)同一屋架吊裝平臺(tái)結(jié)構(gòu)在不同荷載情況下的分級(jí)加載，加載現(xiàn)場檢測實(shí)例較詳盡地闡述了實(shí)荷堆載試驗(yàn)用于已建成建筑物及構(gòu)筑物承載能力的安全評(píng)估時(shí)，其構(gòu)件測點(diǎn)布置、檢驗(yàn)荷載取值、數(shù)值分析及檢驗(yàn)結(jié)論，希望能夠?yàn)轭愃乒こ烫峁﹨⒖肌