某柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)鋼渣堆放棚桿件變形分析與安全性評估*

朱震宇

(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，上海 200032)

0 引言

網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是受力合理、剛度大、質(zhì)量小、制作安裝方便的空間結(jié)構(gòu)體系，在大跨度、大柱網(wǎng)公共建筑和工業(yè)建筑中得到廣泛應(yīng)用[1]。實際工程中，柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于具有跨度大、凈空高、滿足倉儲和作業(yè)空間需求等特點，成為大空間儲料建筑的主要結(jié)構(gòu)形式之一[2]，代表性工程實體包括揚州第二發(fā)電廠干煤棚[3]、臺州電廠干煤棚[4]等。針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，我國學(xué)者開展了大量研究工作[5-6]，這類建筑由于地面存在大量堆載，當(dāng)?shù)鼗催M行有效處理或堆載超載時，可能造成網(wǎng)殼支座沉降，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)變形與損傷[7]，部分學(xué)者提出了空間結(jié)構(gòu)抗不均勻沉降的預(yù)控技術(shù)[8]。

以某柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)鋼渣堆放棚為工程實例，開展現(xiàn)場檢測與損傷分析，評估支座沉降位移對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)安全性的影響，并根據(jù)評估結(jié)果提出相應(yīng)處理措施。

1 工程概況

某鋼渣堆放棚主體為雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)(見圖1)，南、北側(cè)山墻為網(wǎng)架(見圖2)。室內(nèi)堆放鋼渣，堆場周邊設(shè)置鋼筋混凝土擋土墻。

圖1 主體網(wǎng)殼布置

主體柱面雙層網(wǎng)殼橫向跨度76.20m，縱向長度128.00m。網(wǎng)殼東、西側(cè)邊緣相對標高均為0.500m，跨中上弦桿相對標高為27.500m，水平投影面積約9 753.6m2。網(wǎng)殼形式為正放四角錐網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為4m×(4.193～4.775)m，網(wǎng)格高度由兩端的2.752m逐漸增至跨中的2.947m。網(wǎng)格桿件為無縫鋼管，強度等級為Q235B，桿件尺寸包括φ75.5×3.75，φ88.5×4.00，φ114×4.00，φ140×4.00，φ159×6.00。網(wǎng)格節(jié)點為45號鋼制成的螺栓球，直徑包括120，150，180，200，220，250mm。網(wǎng)殼為上弦桿支撐，東、西側(cè)邊緣的上弦桿螺栓球通過支座與混凝土基礎(chǔ)連接。網(wǎng)殼支座為固定支座，通過錨栓與混凝土基礎(chǔ)剛性連接。

山墻為扇形平面網(wǎng)架，東西寬76.20m，最大高度27.50m，立面面積約152.3m2。網(wǎng)架形式為正放四角錐網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為3.00m×3.00m，網(wǎng)格高度為2.00m。網(wǎng)格桿件為無縫鋼管，強度等級為Q235B，桿件尺寸包括φ75.5×3.75，φ88.5×4.00，φ114×4.00，φ140×4.00。網(wǎng)格節(jié)點為45號鋼制成的螺栓球，直徑包括120，150，220，250，280mm。山墻網(wǎng)架上邊緣與主體網(wǎng)殼連接，下邊緣通過支座與混凝土基礎(chǔ)連接。網(wǎng)架支座為固定支座，通過錨栓與基礎(chǔ)剛性連接。

網(wǎng)架支座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式均為樁承臺，工程樁為高強度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁)，樁徑為400mm，單樁豎向極限承載力標準值為660kN，單樁豎向承載力特征值為330kN。

室內(nèi)堆場采用水泥土攪拌樁(濕法)復(fù)合地基，水泥土攪拌樁樁徑為500mm，按1.5m×1.5m布樁，單樁豎向承載力特征值為210kN，復(fù)合地基承載力特征值為160kPa。

2 結(jié)構(gòu)檢測

2.1 結(jié)構(gòu)布置

依據(jù)竣工圖紙，對網(wǎng)殼、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)布置進行現(xiàn)場檢測。結(jié)果表明，網(wǎng)殼、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軸線尺寸、最大高度、網(wǎng)格尺寸等與竣工圖紙相符。

2.2 構(gòu)件截面尺寸

依據(jù)竣工圖紙，對網(wǎng)殼、網(wǎng)架桿件外徑及壁厚、螺栓球外徑、平板支座平面尺寸和厚度等進行現(xiàn)場抽樣檢測。結(jié)果表明，主體網(wǎng)殼東、西側(cè)靠近支座處的部分腹桿截面尺寸小于設(shè)計要求，山墻網(wǎng)架個別下弦桿截面尺寸小于設(shè)計要求，螺栓球尺寸滿足設(shè)計要求，網(wǎng)架支座連接滿足設(shè)計要求。

2.3 構(gòu)件材料強度

采用里氏硬度計對網(wǎng)殼、網(wǎng)架桿件鋼材強度進行現(xiàn)場檢測。結(jié)果表明，構(gòu)件材料強度滿足設(shè)計要求。

2.4 桿件平直度

采用三維激光掃描儀對網(wǎng)殼、網(wǎng)架主要受力桿件平直度偏差情況進行現(xiàn)場檢測[9]。根據(jù)JGJ 7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[10]，桿件軸線彎曲矢高允許偏差為L1/1 000(L1為桿件長度)，且應(yīng)≤5mm。

根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果(見表1)，主體網(wǎng)殼部分下弦桿、山墻網(wǎng)架部分上弦桿、部分腹桿平直度偏差較大，最大值為110mm，不滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》有關(guān)要求。變形桿件大部分為山墻網(wǎng)架桿件，主要分布在山墻網(wǎng)架與主體網(wǎng)殼連接處及角部支座處(見圖3)。

表1 部分撓度較大桿件平直度偏差值

圖3 網(wǎng)架桿件變形

2.5 網(wǎng)殼整體變形

采用三維激光掃描儀對主體網(wǎng)殼跨中下弦桿球節(jié)點相對標高進行抽樣測量，計算網(wǎng)殼跨中最高點下弦桿球節(jié)點豎向位移。根據(jù)檢測結(jié)果，主體網(wǎng)殼整體撓度為L/38 100～L/1 656(L為橫向跨度)，小于《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的最大撓度允許值(L/250)，滿足要求。

2.6 支座水平位移

使用全站儀對支座水平坐標進行測量，根據(jù)測量結(jié)果分別計算主體網(wǎng)殼跨度方向支座相對距離和山墻網(wǎng)架底部支座相對距離。計算結(jié)果表明，主體網(wǎng)殼跨度方向支座相對距離整體上略小于設(shè)計值，最大偏差為-50mm，出現(xiàn)在主體網(wǎng)殼中部；山墻網(wǎng)架底部支座相對距離整體上略小于設(shè)計值，最大偏差為-23mm，出現(xiàn)在網(wǎng)架橫向中部。網(wǎng)殼、網(wǎng)架支座整體上向建筑內(nèi)部發(fā)生一定位移。

2.7 支座相對高差

使用水準儀對支座相對高差進行測量，根據(jù)測量結(jié)果反映支座基礎(chǔ)不均勻沉降情況。結(jié)果表明，山墻網(wǎng)架支座沉降整體上大于主體網(wǎng)殼，主體網(wǎng)殼支座相對高差為-72～0mm，山墻網(wǎng)架支座相對高差為-86～-17mm；南、北側(cè)山墻跨中支座沉降較大，同一軸線上的支座存在一定不均勻沉降，南、北側(cè)山墻同一軸線上支座沉降差分別為-52，-66mm。

2.8 擋土墻變形

使用水準儀對擋土墻頂面相對高差進行測量，測量時在同一位置同時記錄擋土墻頂面兩側(cè)相對高差，通過測量結(jié)果反映擋土墻不均勻沉降情況，并通過同一位置擋土墻頂面兩側(cè)相對高差計算擋土墻傾斜情況。測量結(jié)果表明，擋土墻頂面最大相對高差為-436mm，擋土墻整體不均勻沉降較大；沿主體網(wǎng)殼縱向的擋土墻最大相對高差為-360mm，沿山墻方向的擋土墻最大相對高差為-436mm；擋土墻整體上向室內(nèi)堆場方向傾斜，計算得到的最大傾斜率為-2.733%，傾斜現(xiàn)象較明顯；同一軸線上的墻體傾斜率不同，不同墻段在拼接處存在一定傾斜差，墻段拼接處兩側(cè)最大傾斜差為7.33%。

2.9 地坪相對高差

使用水準儀對擋土墻外側(cè)通道地坪相同位置處寬度方向兩側(cè)(靠近擋土墻側(cè)與靠近網(wǎng)架支座側(cè))的相對高差進行測量，通過測量結(jié)果計算擋土墻外側(cè)地坪傾斜情況，測量結(jié)果含施工誤差與測量誤差。結(jié)果表明，擋土墻外側(cè)通道地坪傾斜情況較嚴重，地坪靠近擋土墻側(cè)普遍下沉，通道地坪寬度方向最大相對高差為-317mm；主體網(wǎng)殼縱向兩側(cè)通道的地坪傾斜率由中部向山墻兩側(cè)逐漸增大。

2.10 結(jié)構(gòu)損傷

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，除桿件變形外，結(jié)構(gòu)損傷主要表現(xiàn)為以下方面。

1)堆場四周擋土墻向內(nèi)傾斜，不同墻段在拼接處錯位，墻段互相擠壓導(dǎo)致拼接處混凝土被壓碎，如圖4所示。

圖4 墻段拼接處混凝土碎裂、剝落

2)墻體外側(cè)局部出現(xiàn)豎向裂縫，裂縫寬度為0.5～1.5mm，主要分布在墻體轉(zhuǎn)角處，由于墻體整體向內(nèi)傾斜，墻體轉(zhuǎn)角處應(yīng)力集中，導(dǎo)致墻面混凝土開裂，如圖5所示。

圖5 墻體外側(cè)混凝土開裂

3)擋土墻外側(cè)通道地坪傾斜情況嚴重，靠近堆場方向普遍下沉，通道寬度方向中部普遍出現(xiàn)平行于擋土墻的裂縫，如圖6所示。

圖6 地坪下沉、開裂

4)山墻外圍護墻與網(wǎng)架支座脫開，如圖7所示。

圖7 外圍護墻與支座脫開

3 結(jié)構(gòu)安全性評估

3.1 驗算參數(shù)與模型

考慮房屋實際結(jié)構(gòu)形式及使用荷載，依據(jù)規(guī)范要求，采用PKPM軟件對房屋進行承載力驗算。驗算時考慮恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震作用及溫度效應(yīng)，材料強度按原設(shè)計取值?？紤]該網(wǎng)架支座已發(fā)生明顯的不均勻沉降，支座位移按實測豎向位移輸入，驗算時分別建立無支座位移工況和支座位移工況模型，對結(jié)果進行綜合分析。

3.2 驗算結(jié)果與分析

結(jié)構(gòu)安全性驗算結(jié)果如圖8所示，圖中陰影部分表示承載力不足的桿件。由圖8可知，無支座位移工況下，網(wǎng)殼、網(wǎng)架桿件強度應(yīng)力比基本滿足要求，個別截面尺寸小于設(shè)計要求的桿件穩(wěn)定應(yīng)力比不滿足要求，最大穩(wěn)定應(yīng)力比為2.017；考慮網(wǎng)架支座沉降后，部分桿件出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象，最大強度應(yīng)力比為1.194，最大穩(wěn)定應(yīng)力比為3.786；承載力不足的桿件主要分布在兩側(cè)山墻網(wǎng)架與主體網(wǎng)殼連接處及支座處。

圖8 結(jié)構(gòu)安全性驗算結(jié)果

3.3 支座基礎(chǔ)承載力驗算

計算得到網(wǎng)架支座最大豎向反力約為221.5kN，小于本工程采用的高強度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁單樁豎向承載力特征值，可知網(wǎng)架支座基礎(chǔ)承載力滿足要求。

3.4 堆場地基承載力驗算

室內(nèi)堆場采用水泥土攪拌樁(濕法)復(fù)合地基，地基承載力特征值為160kPa。堆場內(nèi)鋼渣容重為28.0～43.0kN/m3，堆放高度最高按5m計算，室內(nèi)堆場地坪堆載為140～215kN/m2。驗算結(jié)果表明，當(dāng)鋼渣容重較大時，室內(nèi)堆場地坪堆載超過地基承載力。

4 結(jié)構(gòu)損傷分析

綜合現(xiàn)場檢測和承載力驗算結(jié)果，對結(jié)構(gòu)損傷進行分析。

1)鋼渣堆放棚出入口位于主體網(wǎng)殼縱向中部，為方便鋼渣裝卸存儲，堆場山墻側(cè)堆放鋼渣的頻率較高，山墻側(cè)堆載通常大于中部堆載。根據(jù)驗算結(jié)果，當(dāng)鋼渣容重較大時，室內(nèi)堆場地坪堆載超過地基承載力。在室內(nèi)堆場地坪堆載作用下，室內(nèi)地基產(chǎn)生了相對較大的沉降，同時與室外地基形成了較大的差異沉降。

2)在堆場內(nèi)、外地基差異沉降的作用下，堆場周圍混凝土擋土墻產(chǎn)生了一定程度的整體變形，主要表現(xiàn)為：擋土墻不均勻沉降情況較嚴重，其中南、北側(cè)沉降相對較大，符合場地堆載特征；擋土墻整體向堆場方向有較明顯的傾斜，受擋土墻不均勻沉降和傾斜差的影響，擋土墻在墻段拼接處普遍出現(xiàn)錯位和擠壓情況，導(dǎo)致拼接處混凝土碎裂，保護層剝落；擋土墻頂部平臺護欄變形，局部被拉斷。

3)擋土墻外側(cè)通道地坪受堆場內(nèi)、外地基差異沉降的影響，整體傾斜情況較嚴重，靠近擋土墻側(cè)地坪明顯下沉；通道地坪普遍出現(xiàn)平行于擋土墻方向的裂縫。整體上，南、北側(cè)通道地坪傾斜程度相對于東、西側(cè)通道大；東、西側(cè)通道地坪傾斜程度由鋼渣棚入口向南、北側(cè)逐漸增大，符合場地堆載特征。

4)受堆場地基沉降影響，網(wǎng)架支座基礎(chǔ)產(chǎn)生了一定水平位移和不均勻沉降，其中，山墻網(wǎng)架支座基礎(chǔ)沉降相對較大，表現(xiàn)為山墻側(cè)外墻與網(wǎng)架支座柱墩脫開，符合場地堆載特征。根據(jù)驗算結(jié)果，在支座位移的影響下，網(wǎng)架部分桿件出現(xiàn)承載力不足的現(xiàn)象，主要分布在山墻網(wǎng)架與主體網(wǎng)殼連接處及支座處，分布位置與現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)的彎曲桿件位置基本吻合。

通過綜合分析，鋼渣堆放棚出現(xiàn)損傷的主要原因是室內(nèi)堆場地基在堆載作用下產(chǎn)生了較大的沉降，同時堆場內(nèi)、外地基存在較大的沉降差，最終導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)變形與損傷。

房屋主體結(jié)構(gòu)與山墻結(jié)構(gòu)均為鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中桿件幾何尺寸和平直度(撓度)偏差對網(wǎng)架內(nèi)力和整體穩(wěn)定性具有較大的影響，鋼渣棚現(xiàn)有變形與損傷對主體結(jié)構(gòu)安全性具有一定影響，安全性不滿足要求。

5 修繕改造措施

1)對山墻網(wǎng)架支座進行處理，減小下部地基不均勻沉降對上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響。

2)對山墻網(wǎng)架進行改造，使山墻結(jié)構(gòu)與主體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行柔性連接，釋放山墻結(jié)構(gòu)對主體網(wǎng)殼的豎向約束，避免山墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降使主體網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力。可將山墻結(jié)構(gòu)改造為抗風(fēng)柱結(jié)構(gòu)體系，抗風(fēng)柱通過彈簧片與主體網(wǎng)殼連接，可在釋放豎向約束的同時，保證山墻風(fēng)荷載有效傳遞。

3)對于實際截面尺寸不滿足設(shè)計要求和已發(fā)生較大彎曲的桿件，需及時更換，重新安裝。

4)盡量均勻堆放鋼渣，避免集中堆載。

6 結(jié)語

1)本工程主體結(jié)構(gòu)采用柱面雙層網(wǎng)殼，山墻采用平面網(wǎng)架，部分桿件發(fā)生變形，對結(jié)構(gòu)安全性造成一定影響，需進行修繕改造。

2)現(xiàn)場檢測和承載力驗算結(jié)果表明，室內(nèi)堆場地基產(chǎn)生了較大的沉降，引起網(wǎng)架支座位移，最終導(dǎo)致桿件變形。

3)需采取一定措施對本工程進行修繕改造，如對山墻網(wǎng)架支座進行處理，以減小下部地基不均勻沉降對上部網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響；對山墻網(wǎng)架進行改造，以釋放山墻結(jié)構(gòu)對主體網(wǎng)殼的豎向約束，避免山墻沉降對主體結(jié)構(gòu)造成影響。