鋼結(jié)構(gòu)建筑的檢測鑒定與加固技術(shù)探究

摘要：針對某屋面增設(shè)光伏的鋼結(jié)構(gòu)建筑，在荷載增加情況下結(jié)構(gòu)件可能因承載力不足導(dǎo)致變形，從而影響結(jié)構(gòu)安全的問題，選擇合適的檢測設(shè)備，對建筑結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸、焊縫質(zhì)量等進(jìn)行復(fù)核和檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算、鑒定評級。業(yè)主對建筑進(jìn)行改造后，進(jìn)行加固后的檢測、鑒定，經(jīng)結(jié)構(gòu)分析和評級確定其滿足規(guī)范要求，證明該建筑的結(jié)構(gòu)加固技術(shù)切實可行，結(jié)構(gòu)安全性較原結(jié)構(gòu)顯著提升。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；檢測；鑒定；加固

0" "引言

鋼結(jié)構(gòu)建筑作為現(xiàn)代建筑領(lǐng)域的重要組成部分，憑借鋼材高強度、良好的延展性、施工速度快以及可回收利用等諸多優(yōu)勢，在高層建筑、工業(yè)廠房、商業(yè)綜合體等多種建筑類型中得到了廣泛應(yīng)用。

針對某2022年建造的鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，擬利用其屋面面積大、建筑高度不高的特點，于屋面增設(shè)太陽能電池板，以彌補生產(chǎn)車間用電量大的需求。鑒于廠房屋面增設(shè)光伏組件導(dǎo)致荷載增加，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)可能存在承載力無法滿足規(guī)范要求，業(yè)主經(jīng)研究決定，對該廠房現(xiàn)狀進(jìn)行相關(guān)檢測和鑒定，以為后續(xù)加固設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1" "工程概況

某鋼結(jié)構(gòu)廠房為單層三跨雙坡門式剛架結(jié)構(gòu)，剛架柱、剛架梁、抗風(fēng)柱均采用BH型鋼，屋面采用Z型冷彎薄壁型鋼檁條和壓型鋼板。橫向三跨跨度均為32.0m，縱向柱間軸距均為9.0m，共計28榀剛架，平面尺寸為96m×261m；軸A、B、C、D柱頂標(biāo)高為10.5m，各屋脊高度均為12.1m。該工程為生產(chǎn)車間用途，目前尚未投入使用。

2" "現(xiàn)場檢測

2.1" "結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀調(diào)查狀況

該廠房橫向結(jié)構(gòu)是由剛架柱與剛架梁組成的三跨剛架，縱向結(jié)構(gòu)由剛架柱、屋面支撐、柱間支撐、剛性系桿組成。所檢柱間支撐、屋面支撐設(shè)置位置及截面尺寸均與設(shè)計不符。軸A及軸C于軸22～27間、軸D于軸18～21及22～27間范圍內(nèi)標(biāo)高5.900m處未設(shè)置剛性系桿，剛性系桿、屋面隅撐截面尺寸與設(shè)計不相符。屋面檁條截面形式及尺寸與設(shè)計相符，檁條間距約為1500mm，屋面檁條跨中均按設(shè)計設(shè)置2道拉條。屋面檐口、屋脊處均按設(shè)計設(shè)置斜拉條。屋面檁條與剛架柱、剛架梁間均按設(shè)計要求設(shè)置隅撐，隅撐截面尺寸與設(shè)計不符合。

2.2" "施工質(zhì)量檢測

2.2.1" "鋼材外觀缺陷、損傷及銹蝕檢測

所檢主構(gòu)件面漆基本完好，未發(fā)現(xiàn)明顯的損傷和銹蝕。

2.2.2" "截面尺寸及節(jié)點布置檢測

對鋼柱、鋼梁、柱間支撐等構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行量測，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件截面尺寸與設(shè)計施工圖不相符。柱腳現(xiàn)狀已采用混凝土包裹，對梁柱節(jié)點螺栓數(shù)量、布置進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)梁柱節(jié)點布置與設(shè)計施工圖不相符。

2.2.3" "材料強度檢測

采用里氏硬度檢測方法對該廠房鋼柱、鋼梁進(jìn)行抗拉強度現(xiàn)場抽樣無損檢測。檢測數(shù)據(jù)表明：所檢鋼柱抗拉強度推定值為507～541MPa，基本滿足Q345鋼材的要求。所檢鋼梁抗拉強度推定值為490～531MPa，基本滿足Q345鋼材的要求[1]。里氏硬度計檢測鋼材抗拉強度推定如表1所示。

2.2.4" "焊縫質(zhì)量檢測

鋼柱、鋼梁采用H型鋼，與端板的連接均采用全熔透坡口焊，所檢焊縫基本均勻光滑，外觀質(zhì)量基本符合規(guī)范規(guī)定的焊縫外觀質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場條件抽取部分對接焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢驗，數(shù)據(jù)表明所檢焊縫符合（GB50205—2020）[2]規(guī)定的二級焊縫質(zhì)量等級要求。焊縫超聲波探傷檢驗結(jié)果見表2。其中焊縫1表示鋼柱與端板的連接焊縫，焊縫2、焊縫3表示鋼梁與端板的連接焊縫。

2.2.5" "剛架變形量測

根據(jù)現(xiàn)場實際條件，共抽取27根鋼柱并采用全站儀測量鋼柱的側(cè)向位移，發(fā)現(xiàn)所檢各測點側(cè)移方向無明顯一致性，最大傾斜率為1/101，所檢部分柱頂?shù)乃轿灰苹騼A斜均超過標(biāo)準(zhǔn)（GB 50144—2019）[3]中規(guī)定的不適于繼續(xù)承載的側(cè)向位移限值要求。

2.2.6" "圍護(hù)系統(tǒng)調(diào)查

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該建筑現(xiàn)有填充墻、挑檐、欄板等承重圍護(hù)構(gòu)件，與主體結(jié)構(gòu)之間均有可靠連接，未發(fā)現(xiàn)該類構(gòu)件與主體有脫開等現(xiàn)象。所檢填充墻體未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。墻體及其面層外觀完好，與主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系基本可靠。門窗設(shè)施基本完好。屋面防水構(gòu)造設(shè)施基本完好，未發(fā)現(xiàn)滲漏或積水，陽臺欄板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)未見異常。

3" "結(jié)構(gòu)分析、鑒定評級

3.1" "計算參數(shù)

該建筑安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，場地類別為Ⅲ類。本地區(qū)基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度為B類，屋面恒荷載（含檁條自重）為0.35kN/m2，計算剛架時屋面活荷載取0.30kN/m2，計算檁條時屋面活荷載取0.50kN/m2。

3.2" "標(biāo)準(zhǔn)榀剛架計算模型及結(jié)果

采用PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件二維門式剛架計算模塊，對該廠房標(biāo)準(zhǔn)榀剛架按構(gòu)件實測截面尺寸進(jìn)行建模，標(biāo)準(zhǔn)榀構(gòu)件計算結(jié)果見表3、表4。

由表3、表4可知，標(biāo)準(zhǔn)榀中的鋼柱最大應(yīng)力比1.27＞1/0.88=1.14，超出GB 50144—2019[3]鋼構(gòu)件承載能力d級的限值要求，柱頂最大計算位移小于規(guī)范限值要求，鋼柱單構(gòu)件承載能力項目安全性等級評為d級；標(biāo)準(zhǔn)榀中的鋼梁最大應(yīng)力比1.19＞1/0.88=1.14，不能滿足GB 50144—2019鋼構(gòu)件承載能力d級的限值要求，撓度亦大于規(guī)范限值，鋼梁單構(gòu)件承載能力項目安全性等級評為d級。

3.3" "安全性評級

現(xiàn)場檢查建筑物基礎(chǔ)周邊地面未見明顯沉陷，主體結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)因基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫。地基基礎(chǔ)安全性等級間接評定為B級。對上部承重結(jié)構(gòu)中承載功能部分，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)榀主要構(gòu)件的評定等級，評定為D級；整體性根據(jù)門式剛架縱向未設(shè)置剛性系桿問題，評定為C級。由此，該廠房上部承重結(jié)構(gòu)評定為D級。根據(jù)上述地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)的等級評定結(jié)果，該廠房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性等級評定為D級，不符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求，已嚴(yán)重影響整體安全，必須立即采取措施。

4" "結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固及加固后鑒定評級

4.1" "門式鋼架

該廠房現(xiàn)狀承載功能已不能滿足規(guī)范要求，光伏組件無法直接安裝在現(xiàn)有屋面上，需對該廠房進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。結(jié)合該廠房現(xiàn)狀特點，決定采用增大截面的方式對不滿足承載功能要求的鋼柱、鋼梁進(jìn)行加固。鋼梁加固斷面見圖1，鋼柱加固見圖2。

加固后的模型荷載取值除屋面恒荷載外與現(xiàn)狀一致，其中屋面恒荷載取0.45kN/m2（含光伏組件荷載0.15kN/m2），標(biāo)準(zhǔn)榀構(gòu)件計算結(jié)果見表5、表6。

從表5、表6可知，鋼柱最大應(yīng)力比0.86＜1.0，柱頂水平計算位移小于1/60，滿足規(guī)范規(guī)定的單構(gòu)件承載能力項目安全等級a級要求；鋼梁最大應(yīng)力比0.92＜1.0，撓度小于1/180，滿足規(guī)范規(guī)定的單構(gòu)件承載能力項目安全等級a級要求。

4.2" "屋面檁條

原有屋面檁條在未增設(shè)光伏組件荷載時，滿足單構(gòu)件承載能力項目安全性等級評b級要求。增設(shè)光伏組件后荷載增加，經(jīng)計算承載能力無法滿足規(guī)范要求?，F(xiàn)采取在原隅撐處，增設(shè)L75×5的角鋼隅撐，并與檁條、鋼梁下翼緣增大截面部分連接，為檁條提供新的簡支支座，使得檁條跨度從9m降低至5.8m。經(jīng)過驗算，新增隅撐以及檁條，均能滿足單構(gòu)件承載能力項目安全性等級評b級的要求。

4.3" "其余加固措施

該廠房多數(shù)構(gòu)件截面形式和尺寸與設(shè)計施工圖不相符。對不滿足承載力要求的Φ20圓鋼柔性支撐，替換為2L90×6雙角鋼剪刀型剛性支撐，以將山墻側(cè)受到的水平力傳遞至鋼柱柱腳及其基礎(chǔ)。對未設(shè)置剛性系桿處，按原設(shè)計圓鋼管規(guī)格補充構(gòu)件，以將水平力有效傳遞至柱間支撐，并增強上部承重結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體性。

對屋面水平支撐系統(tǒng)，于每跨處各增設(shè)4道屋面水平剛性系桿，共計12道，使原剛性系桿9m間距降低為2.5～7.0m。另外，將Φ20的水平支撐，按原設(shè)計Φ25的規(guī)格替換，增強剛架間剛性以主體結(jié)構(gòu)完整性。

鑒于上部結(jié)構(gòu)所檢部分柱頂?shù)乃轿灰苹騼A斜超限，業(yè)主委托第三方進(jìn)行廠房上部主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測，監(jiān)測報告顯示軸24交D、軸27交A兩監(jiān)測點在100天內(nèi)，累計沉降大于4mm，即日均沉降大于0.04mm/d。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8—2016[4]規(guī)定，此兩監(jiān)測點尚處于沉降不穩(wěn)定狀態(tài)，但沉降速率已明顯趨于收斂，故對沉降速率超限的兩處柱基礎(chǔ)采用增大截面的方式進(jìn)行加固。建議業(yè)主持續(xù)對該廠房保持監(jiān)測，設(shè)置預(yù)警值，以便及時采取處理措施。

4.4" "安全性評級

現(xiàn)場檢查建筑物基礎(chǔ)周邊地面仍未見明顯沉陷，根據(jù)廠房上部主體結(jié)構(gòu)監(jiān)測報告表明的各監(jiān)測點沉降速率趨于收斂、基礎(chǔ)沉降逐漸穩(wěn)定，將地基基礎(chǔ)安全性等級間接評定為B級。對上部承重結(jié)構(gòu)中承載功能部分，根據(jù)加固后的標(biāo)準(zhǔn)榀主要構(gòu)件評定等級，評定為B級。整體性根據(jù)增強柱間支撐、補充剛性系桿、增強屋面水平支撐和水平剛性系桿等加固措施，評定為B級。將該廠房加固后上部承重結(jié)構(gòu)評定為B級。根據(jù)圍護(hù)系統(tǒng)調(diào)查內(nèi)容，將圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性等級評定為B級。根據(jù)上述地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的等級評定結(jié)果，將該廠房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全性等級評定為B級，略低于國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的安全性要求，尚不明顯影響整體安全。

5" "結(jié)束語

鑒于某建筑廠房未按設(shè)計施工圖進(jìn)行施工，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀承載力與基于規(guī)范要求設(shè)計的構(gòu)件承載力相差甚遠(yuǎn)，存在一定的安全隱患，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行系統(tǒng)檢測鑒定，為屋面增設(shè)光伏乃至主體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計提供可靠依據(jù)。鑒定結(jié)果顯示，對鋼結(jié)構(gòu)廠房鋼柱、鋼梁采用增大截面，對屋面檁條采用增設(shè)支座等方式進(jìn)行加固，可有效提高構(gòu)件承載力，提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性能。

參考文獻(xiàn)

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[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ 8—2016 建筑變形測量規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.