常見(jiàn)網(wǎng)架(殼)破壞模式剖析與治理措施探討★

李運(yùn)軍，謝 堅(jiān)，裴 陽(yáng)

(1.安徽中亞鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司，安徽 合肥 230051;2.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院有限公司，安徽 合肥 230051)

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)及空間網(wǎng)架設(shè)計(jì)軟件的普及和發(fā)展，一大批空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特別是網(wǎng)架結(jié)構(gòu)迅速拔地而起。工業(yè)建筑特別是水泥廠、鋼廠、化工廠、電廠等充分利用設(shè)計(jì)快捷、加工標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)輸效率高、施工安裝方便、跨度大、選型靈活這些優(yōu)點(diǎn)，把空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為首選。

鋼網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)具有施工方便、周期短、跨度大等優(yōu)點(diǎn)，近20 a在水泥行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)、原煤預(yù)均化堆場(chǎng)、輔料堆棚、熟料、庫(kù)包裝站臺(tái)、砂巖堆棚等等。然而，由于鋼網(wǎng)架為空間桿件結(jié)構(gòu)、屋面檁條系統(tǒng)為冷彎薄壁結(jié)構(gòu)，正常情況下，鋼結(jié)構(gòu)在正常使用環(huán)境下6 a～8 a需要對(duì)其進(jìn)行防腐防銹圍護(hù)。但實(shí)際使用過(guò)程中，很多廠家基本沒(méi)有做到基本的保養(yǎng)圍護(hù)。使得網(wǎng)架(殼)往往在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，出現(xiàn)了部分構(gòu)件或結(jié)構(gòu)局部失效，使結(jié)構(gòu)無(wú)法繼續(xù)滿(mǎn)足使用功能的要求。

網(wǎng)架(殼)失效后需重新對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體計(jì)算，然后針對(duì)性地提出加固方案。近年來(lái)，眾多學(xué)者進(jìn)行了關(guān)于網(wǎng)架加固方面的相關(guān)研究。聶祺等[1-2]采用預(yù)應(yīng)力方法對(duì)一竣工于1996年的游泳館屋蓋進(jìn)行了加固研究，屋蓋原為正方四角錐螺栓球平板網(wǎng)架，采用預(yù)應(yīng)力高釩索、支撐及套管集成加固方法，該方法無(wú)焊接作業(yè)，大大縮短了工期。黃亮[3]采用有限元方法研究了網(wǎng)架壓桿套管加固設(shè)計(jì)方法，對(duì)網(wǎng)架整體模型進(jìn)行了非線性屈曲分析，并研究了套管長(zhǎng)度、套管厚度、分段套管、螺栓預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)加固效果的影響。姜麗萍等[4-5]對(duì)卡箍套管加固網(wǎng)架桿件進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，得出了加固桿件的屈曲模態(tài)以及極限承載力，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

本文對(duì)水泥行業(yè)中網(wǎng)架(殼)的破壞模式進(jìn)行總結(jié)，提出了土建支撐結(jié)構(gòu)、桿件失效、螺栓失效和圍護(hù)結(jié)構(gòu)破損四部分內(nèi)容，并提出了相對(duì)應(yīng)的治理措施，為網(wǎng)架(殼)在水泥行業(yè)中的設(shè)計(jì)、建造和使用提供參考。

2 網(wǎng)架(殼)破壞模式

2.1 土建支撐結(jié)構(gòu)損壞

水泥行業(yè)中，生產(chǎn)原料堆棚通常采用底部混凝土結(jié)構(gòu)框架、上部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)體系。網(wǎng)殼與土建部分通過(guò)支座連接，網(wǎng)殼作為屋蓋結(jié)構(gòu)通過(guò)支座將荷載傳遞給梁柱，梁柱再傳遞給基礎(chǔ)。此類(lèi)工程中底部土建支撐結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。然而，由于車(chē)輛運(yùn)輸原料過(guò)程中，經(jīng)常對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)柱與梁產(chǎn)生撞擊，結(jié)構(gòu)柱混凝土保護(hù)層脫落嚴(yán)重，鋼筋直接裸露在空氣中。作為網(wǎng)架支座支撐的結(jié)構(gòu)梁跨中產(chǎn)生沿梁高貫通的多條豎直裂縫，致使結(jié)構(gòu)梁失效，整個(gè)網(wǎng)架邊界條件與設(shè)計(jì)邊界條件不符，網(wǎng)架安全性能大大降低，如圖1所示。

2.2 網(wǎng)架(殼)桿件失效

網(wǎng)架(殼)是由桿件與螺栓球節(jié)點(diǎn)通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接的空間結(jié)構(gòu)。桿件在設(shè)計(jì)中僅僅承受軸力，但是在實(shí)際加工、安裝、使用過(guò)程中，各種原因造成桿件彎曲、大變形，使桿件在實(shí)際使用過(guò)程中承受次彎矩，使桿件發(fā)生更大的彎曲變形，從而降低網(wǎng)架(殼)整體承載能力。

除此之外，桿件由于加工的下料尺寸不準(zhǔn)確或者安裝過(guò)程中過(guò)大的變形，造成現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)桿件長(zhǎng)度需要調(diào)整，有很多是將原桿件切斷，調(diào)整到合適長(zhǎng)度后采用對(duì)接焊縫進(jìn)行連接，還有是很多桿件在加工廠對(duì)接。現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)對(duì)接焊縫連接處由于焊接質(zhì)量不合格，桿件常發(fā)生斷裂，致使桿件失效，使網(wǎng)殼各桿件的應(yīng)力重分布，致使部分桿件超過(guò)原設(shè)計(jì)應(yīng)力比，導(dǎo)致更多的桿件失效。圖2示出了網(wǎng)架(殼)桿件常見(jiàn)的破壞模式。

2.3 螺栓失效

由于網(wǎng)架(殼)桿件的彎曲和斷裂，導(dǎo)致部分桿件的受力狀態(tài)由只承受軸力變成承受較大彎矩和剪力的復(fù)合受力構(gòu)件，這時(shí)候部分螺栓的受力狀態(tài)不僅僅是受拉，而是轉(zhuǎn)化為了拉剪(壓剪)狀態(tài)。同時(shí)由于很多結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)是按照桿件的內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。桿件內(nèi)力重分布后對(duì)應(yīng)的內(nèi)力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于所選用螺栓的承載力，致使許多高強(qiáng)螺栓直接被拉斷，與之相連的桿件從螺栓球上脫落，螺栓被剪斷，對(duì)網(wǎng)架(殼)的整體剛度和承載能力是致命性的破壞。圖3示出了現(xiàn)場(chǎng)螺栓失效后的網(wǎng)架形態(tài)。

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)破損

網(wǎng)架(殼)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要是檁條與壓型鋼板以及它們與主體結(jié)構(gòu)的連接。圍護(hù)結(jié)構(gòu)是保證項(xiàng)目滿(mǎn)足使用功能的關(guān)鍵因素之一，然而由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接與雨水接觸，常常發(fā)生銹蝕，見(jiàn)圖4。容易發(fā)生銹蝕的部位是檁條以及檁條與壓型鋼板連接部位。銹蝕后的檁條截面有效面積減小，承載力降低。壓型鋼板與檁條連接處應(yīng)力較大，銹蝕后的壓型鋼板常出現(xiàn)孔洞。同時(shí)壓型鋼板通過(guò)自攻螺釘與檁條連接，隨著使用時(shí)間的增加，熱脹冷縮，密封圈逐漸老化，自攻螺釘松動(dòng)，屋面板被撕裂，發(fā)生漏水，漏水同時(shí)加速對(duì)主次結(jié)構(gòu)損壞[6]。

壓型鋼板安裝不合理，以及連接處破損，導(dǎo)致壓型鋼板脫落，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺口，如圖5所示。壓型鋼板缺口處風(fēng)荷載集中，形成的巨大風(fēng)氣流使得整體結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載體型系數(shù)發(fā)生巨大的改變。

3 治理措施

本節(jié)針對(duì)于網(wǎng)架(殼)中常見(jiàn)的問(wèn)題，依托相關(guān)規(guī)范、力學(xué)原理以及工程經(jīng)驗(yàn)，提出了相應(yīng)的治理措施建議，以方便對(duì)結(jié)構(gòu)局部損壞，不需重建的工程進(jìn)行修復(fù)，節(jié)約資源。

3.1 土建支撐結(jié)構(gòu)加固處理

針對(duì)于網(wǎng)架(殼)工程中混凝土柱與混凝土梁出現(xiàn)開(kāi)裂、混凝土保護(hù)層脫落、鋼筋裸露等問(wèn)題，根據(jù)GB 50367—2013混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[7]對(duì)土建支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理。常用的加固方法有：增加截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)核材加固法、預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法等。圖6列舉了混凝土柱采用外包型鋼加固的常用構(gòu)造。

3.2 網(wǎng)架(殼)桿件治理

當(dāng)桿件失效后，可通過(guò)對(duì)桿件進(jìn)行加固使網(wǎng)架(殼)結(jié)構(gòu)整體性得到保障。常用的桿件加固方法有：粘貼鋼板法、套管加固法、置換桿件法、纖維布加固法等[8-11]。

粘貼鋼板法通過(guò)黏接劑將薄鋼板黏貼于構(gòu)件表面。避免了焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形，通過(guò)提高桿件截面面積來(lái)提高極限承載力，但由于鋼材易銹蝕，導(dǎo)致黏接劑易發(fā)生脫落。套筒加固法通過(guò)使用肋板將較大截面桿件焊接于原桿件之上，來(lái)實(shí)現(xiàn)桿件的加強(qiáng)。置換桿件法是直接將原銹蝕或損壞的桿件用強(qiáng)度更高、截面更大的桿件直接替換。纖維加固法則通過(guò)在受損構(gòu)件表面粘貼纖維材料，使纖維與構(gòu)件協(xié)同受力，提高桿件的承載力來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)桿件的加固。

3.3 螺栓治理

1)由于螺栓被剪斷而導(dǎo)致網(wǎng)架各桿件內(nèi)力發(fā)生改變，被剪壞的螺栓采用新螺栓進(jìn)行更換，螺栓規(guī)格和強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)根據(jù)相關(guān)桿件失效后網(wǎng)架(殼)模型與未失效模型分別計(jì)算，取包絡(luò)值進(jìn)行計(jì)算復(fù)核；2)大部分情況下被剪斷的螺栓根本無(wú)法從螺栓球中取出，原有的螺栓孔無(wú)法使用，此時(shí)一般采用與設(shè)計(jì)原桿件等強(qiáng)的構(gòu)件(角鋼、槽鋼等)替代原有桿件，替換構(gòu)件與螺栓球焊接形式連接。

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)治理

因輕微生銹或撞擊導(dǎo)致失效的檁條可以通過(guò)添加附加綴板的方法進(jìn)行加固，具體有單側(cè)添加綴板、雙側(cè)添加綴板、添加L型綴板等，綴板型式因檁條截面型式而定。研究表明：雙側(cè)斜撐式綴板加固方案不但能提高檁條屈曲承載力、改善穩(wěn)定性，還能有效提高檁條在規(guī)范要求撓度限制范圍內(nèi)的承載能力[12-14]。但很多結(jié)構(gòu)都是因?yàn)椴糠謾_條銹蝕脫落了以后才考慮維修和加固，此時(shí)對(duì)檁條加固已沒(méi)有任何意義，唯有對(duì)原有檁條拆除。壓型鋼板破壞后應(yīng)及時(shí)更換，更換后彩鋼板型號(hào)應(yīng)與原彩鋼板匹配，在彩鋼板搭接處、彩鋼板與采光板連接處可增設(shè)防水拉鉚釘與檁條連接。已老化的防水密封帶與防水螺釘應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，更換黏接性能較高、耐候性及抗變形能力較強(qiáng)的防水材料，如丁基橡膠防水密封黏結(jié)帶、硅酮耐候膠等。

4 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)與使用建議

本節(jié)結(jié)合前文對(duì)網(wǎng)架(殼)中常見(jiàn)破壞模式以及相應(yīng)治理措施，提出以下建議：

1)土建基礎(chǔ)或柱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮車(chē)輛、堆料的沖擊荷載，容易被撞擊的部位設(shè)置防撞鋼板，設(shè)計(jì)時(shí)考慮適量安全系數(shù)；使用中應(yīng)將車(chē)輛運(yùn)載工具避開(kāi)混凝土柱與梁，同時(shí)在容易被碰撞的部位設(shè)置警戒色，避免對(duì)支撐結(jié)構(gòu)造成破壞。2)網(wǎng)架設(shè)計(jì)時(shí)充分調(diào)研和理解業(yè)主方的使用意圖，充分調(diào)研后期使用過(guò)程中所有可能使用的運(yùn)輸設(shè)備，留有足夠的運(yùn)行空間。3)網(wǎng)架(殼)設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵部位應(yīng)做好防護(hù)，不僅僅考慮使用階段的受力狀況，同時(shí)也要考慮安裝過(guò)程中的受力狀況，按照內(nèi)力包絡(luò)的思想來(lái)配置關(guān)鍵部位的桿件和螺栓，安裝網(wǎng)架時(shí)應(yīng)制定合理的施工方案，避免桿件產(chǎn)生初彎曲；高強(qiáng)螺栓安裝時(shí)應(yīng)確保預(yù)緊力達(dá)到設(shè)計(jì)要求；當(dāng)采用對(duì)接焊縫連接桿件時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量，保證焊縫滿(mǎn)足計(jì)算與構(gòu)造要求。4)檁條、壓型鋼板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)在使用中極易生銹與破損，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受荷載；壓型鋼板固定時(shí)確保屋面彩板的固定位置，避免自攻釘直接在板子的波谷位置固定；使用過(guò)程中應(yīng)定期對(duì)破壞的檁條與壓型鋼板進(jìn)行更換或加固。5)網(wǎng)架(殼)是一個(gè)系統(tǒng)工程，設(shè)計(jì)、施工、使用密切聯(lián)系，相互影響。本文僅列舉了部分常見(jiàn)問(wèn)題，更多的問(wèn)題尚需根據(jù)具體項(xiàng)目具體解決。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水泥行業(yè)中網(wǎng)架(殼)中常見(jiàn)破壞模式進(jìn)行了闡述與原因分析，并提出了相關(guān)的治理措施，旨在為網(wǎng)架(殼)在設(shè)計(jì)、施工和使用中提供參考。

1)土建基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)受運(yùn)輸影響，易出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)被撞擊而發(fā)生保護(hù)層脫落、鋼筋裸露等問(wèn)題，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固和保護(hù)處理。2)由于加工、安裝不合理等初始缺陷，網(wǎng)架(殼)桿件初偏心較大、桿件彎曲變形嚴(yán)重、對(duì)接桿件在對(duì)接部位斷裂等應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固或更換。3)鋼結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中沒(méi)做過(guò)基本的圍護(hù)，主結(jié)構(gòu)、檁條等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重生銹現(xiàn)象，壓型鋼板出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕、漏水、脫落等狀況。針對(duì)壓型鋼板漏水或銹蝕應(yīng)及時(shí)更換或維修，越早越好，否則會(huì)對(duì)局部的檁條和主結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。