空間桁架屋蓋廠房的抗震鑒定

陳樂

（廣東省建筑材料研究院有限公司）

0 引言

空間桁架屋蓋結(jié)構(gòu)通常為倒三角形截面，與平面桁架結(jié)構(gòu)相比，它能夠具有更大的跨度，且三角形桁架穩(wěn)定性好，扭轉(zhuǎn)剛度大且外表美觀，在現(xiàn)實生活中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文結(jié)合一個空間桁架屋蓋廠房鑒定的工程實例，探討其是否滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

1 工程概況

本工程為兩層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和弧頂空間桁架屋面，房屋建造于2000 年初，廠房用途，平面類型是矩形，結(jié)構(gòu)高度9.30m，結(jié)構(gòu)平面尺寸35m×84m，基本風(fēng)壓0.5kN/m2，地面粗糙度B 類，設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)丙類，設(shè)計地震分組第一組，抗震鑒定分類C 類，抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別II 類，抗震等級為三級，抗震措施設(shè)防烈度7 度，特征周期0.35s，設(shè)計基本地震加速度0.10g。委托單位未能提供原設(shè)計結(jié)構(gòu)施工圖和原設(shè)計結(jié)構(gòu)計算書。

2 檢查和檢測情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系檢查及使用情況調(diào)查

由于委托方未能提供該建筑的原始結(jié)構(gòu)圖紙，現(xiàn)場對該建筑實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，結(jié)果表明該建筑兩層混合結(jié)構(gòu)，首層為混凝土框架，二層為混凝土柱與弧頂?shù)谷切慰砧旒芑旌希矫娉叽鐬?5m×84m，平面布置規(guī)整，東西方向中部設(shè)置了分隔縫將該建筑劃分成兩個結(jié)構(gòu)單元，該建筑混凝土結(jié)構(gòu)首層層高為5.00m，二層混凝土柱頂高度為4.3m。

從結(jié)構(gòu)體系角度，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)問題如下：

⑴屋面縱向支撐由設(shè)置于跨中1/3 處的兩榀通長平面鋼桁架組成，但空間桁架端部未設(shè)置縱向支撐，空間桁架端部縱向支撐事實上由混凝土柱頭伸出的縱筋圍箍及外墻燒結(jié)磚提供。

⑵房屋二層山墻處未設(shè)置空間鋼桁架，而將屋面檁條搭于山墻頂，現(xiàn)場對山墻鋼筋進(jìn)行鋼筋掃描的結(jié)果表明，二層9.3m 圈梁以上墻體均未設(shè)置圈梁，山墻磚墻懸臂最大高度達(dá)3.9m，該部分磚墻無平面外穩(wěn)定保證措施。

⑶屋面C 型檁條跨度7m，僅在檁條跨中設(shè)置一道拉條，不滿足《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 51022-2015）[1]第9.3.1 條規(guī)定的：“當(dāng)檁條跨度大于6m時，宜在檁條跨度三分點處各設(shè)一道拉條或撐桿”的要求，同時也未設(shè)置構(gòu)造措施保證檁條下翼緣在風(fēng)吸力工況下的穩(wěn)定性。

2.2 主體結(jié)構(gòu)變形測量

現(xiàn)場選取該建筑部分柱位進(jìn)行側(cè)向位移測量。測點一：觀測高度9.2m，測點位移2.2mm，傾斜比值1/4182；測點二：觀測高度8.6m，測點位移6.4mm，傾斜比值1/1343；測點三：觀測高度8.0m，測點位移2.5mm，傾斜比值1/3200。測量結(jié)果表明所抽測的混凝土結(jié)構(gòu)柱位側(cè)向最大傾斜率為1/1343，均未超過《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50144-2019）[2]第7.3.9 條關(guān)于多層廠房上部承重結(jié)構(gòu)的使用性等級按結(jié)構(gòu)水平位移影響評定時的A 級界限（≤H/500）。

2.3 混凝土構(gòu)件鋼筋配置檢測

現(xiàn)場隨機抽取40 根混凝土構(gòu)件，采用和混凝土鋼筋探測儀（HC-GY71）進(jìn)行鋼筋掃描，同時，隨機抽取10個混凝土構(gòu)件，采用局部鑿開的方法，用游標(biāo)卡尺實測鋼筋的直徑。根據(jù)現(xiàn)場檢測情況，框架柱的b 面和h 面各有3 根鋼筋，鋼筋為直徑20 的二級鋼，箍筋為直徑8的一級鋼；框架梁截面250×600 的梁底鋼筋有4 根，鋼筋為直徑25 的二級鋼，框架梁截面250×600 的梁底鋼筋有4 根，鋼筋為直徑18 的二級鋼。

2.4 混凝土構(gòu)件強度檢測

本工程采用鉆芯法對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土抗壓強度進(jìn)行檢測，所抽檢的14 個芯樣中，框架柱混凝土抗壓強度值介于27.6～42.1MPa，框架梁混凝土抗壓強度值介于17.6～48.9MPa，其中一個芯樣抗壓強度小于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）[3]第4.1.2 條鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的最小混凝土強度等級C20 的要求，混凝土強度檢測結(jié)果較為離散，不滿足推定條件。

2.5 鋼構(gòu)件及節(jié)點連接構(gòu)造檢查

根據(jù)現(xiàn)場實際檢測條件，對現(xiàn)場鋼構(gòu)件及節(jié)點連接構(gòu)造檢查情況如下：

⑴該建筑二層屋面為空間倒三角桁架，上下弦桿截面尺寸為Φ88×3，腹桿截面尺寸均為Φ48×3，桁架底部設(shè)置拉索，拉索采用直徑20mm 帶肋鋼筋。

⑵桁架節(jié)點采用圓支管端部壓扁與主管焊接的形式，現(xiàn)場檢查，焊縫未見明顯的裂紋等缺陷。

2.6 鋼材品種檢測

按照《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50621-2010）[4]第11 章推薦方法，在同一個屋蓋的鋼材選取了3 個不同部位進(jìn)行取樣，每個部位的試樣重量不少于5g。根據(jù)檢驗報告的結(jié)果，C 的含量為0.062%，Si的含量為0.063%，Mn 的含量為0.206%，P 的含量為0.010%，S 的含量為0.004%，各類元素的含量均滿足Q235B 的要求。

3 結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)現(xiàn)行國家的設(shè)計規(guī)范，下部的混凝土部分采用PKPM 系列軟件進(jìn)行驗算，上部空間桁架屋蓋采用3D3S進(jìn)行驗算，計算模型如圖1、圖2。

圖1 計算模型（一）

圖2 計算模型（二）

3.1 參數(shù)取值

樓面附加恒載1.5kN/m2；屋面附加恒載0.15kN/m2，樓面活荷載：3.0kN/m2、屋面活荷載：0.3kN/m2（不上人）；恒荷載分項系數(shù)：1.2；活荷載分項系數(shù)：1.4，梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)：0.85?；炷翉姸鹊燃墸菏讓又鵆25，二層柱及以上C25，二層梁及以上C25。鋼材采用Q235。構(gòu)件截面尺寸按實測值。

3.2 地基基礎(chǔ)

根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023-2009）[5]第4.2.2 條規(guī)定，7 度時地基基礎(chǔ)現(xiàn)狀無嚴(yán)重靜載缺陷的乙類、丙類建筑，可不進(jìn)行地基基礎(chǔ)的抗震鑒定。經(jīng)現(xiàn)場檢查，上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件無不均勻沉降裂縫和明顯的傾斜現(xiàn)象，故被檢測房屋基礎(chǔ)現(xiàn)狀可評為無嚴(yán)重靜載缺陷的丙類房屋，符合上述條件，故可不進(jìn)行地基基礎(chǔ)的抗震鑒定。

3.3 抗震措施鑒定

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）[6]，按多層鋼筋混凝土房屋逐條核查抗震措施，核查結(jié)果表明：受檢房屋的結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施滿足該規(guī)范的要求。

3.4 抗震承載力驗算

根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023-2009）[5]第1.0.4～1.0.5 條，現(xiàn)有C 類建筑，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011）[6]的要求進(jìn)行抗震鑒定，按本標(biāo)準(zhǔn)第3.0.5 條的規(guī)定進(jìn)行構(gòu)件承載力驗算。

本次根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果對該建筑結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行驗算分析，其中屋面倒三角空間桁架采用3D3S 結(jié)構(gòu)計算軟件單獨驗算；其余混凝土結(jié)構(gòu)部分采用中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)研究所PKPM 系列SATWE 模塊驗算。由于委托方未能提供該項目的圖紙資料，無法確定拉索的設(shè)計張拉力，為確保屋頂桁架安全，本次驗算屋頂三角桁架承載力時，拉索按零初應(yīng)力考慮，但該假定會造成二層柱頂水平推力過大，無法通過驗算?；诂F(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)二層混凝土柱并未出現(xiàn)明顯的水平位移，也未出現(xiàn)因水平推力而導(dǎo)致的柱子開裂或其余變形，可認(rèn)為二層混凝土柱目前處于正常工作狀態(tài)，本次不對其進(jìn)行承載力驗算。

3.5 結(jié)構(gòu)承載力驗算結(jié)果

⑴根據(jù)屋面弧頂空間三角桁架長細(xì)比驗算結(jié)果，該建筑空間下弦桿側(cè)向穩(wěn)定僅靠兩榀縱向桁架，導(dǎo)致計算長度過大（約12m)，造成下弦桿側(cè)向長細(xì)比達(dá)399.1，大于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017-2017）第7.4.6 條受壓桿長細(xì)比150 限值的要求，同時也大于受拉桿長細(xì)比350 的限值要求；側(cè)向長細(xì)比超限導(dǎo)致下弦桿部分節(jié)間桿件側(cè)向穩(wěn)定應(yīng)力比超限。

⑵根據(jù)框架梁柱承載力驗算結(jié)果，首層混凝土梁柱所抽檢的配筋均滿足承載力驗算要求。

3.6 房屋結(jié)構(gòu)抗震性能綜合評定

房屋結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定結(jié)果表明，該建筑混凝土框架部分綜合抗震能力基本滿足抗震鑒定要求；結(jié)合2.1節(jié)結(jié)構(gòu)體系檢查結(jié)果，該建筑二層鋼結(jié)構(gòu)部分縱向抗側(cè)力體系不完整，綜合抗震能力不滿足滿足抗震鑒定要求。

4 建筑可靠性評級

結(jié)合《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50144-2019)[2]第8.0.1～8.0.3 條的規(guī)定，該建筑地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性等級為A 級，上部承重結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性等級為C 級，圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性等級為C 級，該建筑物結(jié)構(gòu)可靠性等級評定為三級。

表1 建筑可靠性鑒定評級

5 有待探討的問題

對于原設(shè)計圖紙已無法找回，拉索的原設(shè)計拉力按現(xiàn)在的檢測方法還無法確定，現(xiàn)狀的拉索殘余應(yīng)力也不好檢測，鑒定時只能按初應(yīng)力為零考慮，這種做法過于保守。如何確定拉索張拉力還有待進(jìn)一步探討，見圖3。

圖3 拉索示意圖

6 結(jié)論

6.1 結(jié)構(gòu)檢測結(jié)論

⑴結(jié)構(gòu)體系檢查結(jié)果表明，該建筑二層屋面有弧頂?shù)谷强臻g桁架縱向支撐體系不完整的問題，以及未有構(gòu)造措施保證屋面檁條下翼緣在風(fēng)吸力工況下的穩(wěn)定。

⑵該建筑上部結(jié)構(gòu)側(cè)向位移檢測結(jié)果表明，所抽測柱側(cè)向位移均滿足國家現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

⑶根據(jù)鉆芯法檢測結(jié)果，該房屋抽檢的14 個芯樣檢測結(jié)果較為離散，不滿足推定條件，各層混凝土梁柱所抽測的芯樣抗壓強度平均值均大于C25 的要求，其中一個芯樣抗壓強度小于C20 的要求。

⑷根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)化學(xué)成分分析的結(jié)果，鋼框架梁柱的鋼材品種為Q235B。

⑸構(gòu)件損傷及缺陷檢查結(jié)果表明，該建筑二層個別梁底出現(xiàn)鋼筋銹脹；二層A 軸，N 軸山墻頂出現(xiàn)通長裂縫；二層西結(jié)構(gòu)單元可見多處漏水。

6.2 可靠性鑒定結(jié)論

綜合現(xiàn)場檢查、檢測和驗算結(jié)果，依據(jù)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50144-2019)[2]的規(guī)定，對該建筑結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定評述如下：

⑴該建筑主要轉(zhuǎn)角側(cè)向位移均未超過規(guī)范允許范圍，且室內(nèi)外地面與主體結(jié)構(gòu)之間沒有出現(xiàn)相對位移，上部結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)因地基不均勻沉降引起的裂縫或變形，表明地基基礎(chǔ)目前工作無異常；

⑵承載力驗算結(jié)果表明，混凝土結(jié)構(gòu)部分滿足承載力要求；屋面倒三角空間桁架下弦桿長細(xì)比超限，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)致下弦桿部分節(jié)間桿件平面外穩(wěn)定應(yīng)力比超限。

該建筑地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性等級為A 級，上部承重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性等級為C 級，圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性等級為C 級，該建筑物結(jié)構(gòu)可靠性等級評定為三級。

6.3 抗震鑒定結(jié)論

該建筑結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定結(jié)果表明，該建筑混凝土框架部分綜合抗震能力基本滿足抗震鑒定要求；該建筑二層鋼結(jié)構(gòu)部分縱向抗側(cè)力體系不完整，綜合抗震能力不滿足抗震鑒定要求。