空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)撓度檢測方法

張樹勛，李后軍，崔萌，王寧

（1 國家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心，江蘇徐州 221000；2 江蘇貝思特建設科技有限公司，江蘇徐州 221000）

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是按照一定規(guī)律布置桿件，構(gòu)件通過節(jié)點連接而構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)性能良好、建筑造型效果佳、制造安裝機械化程度高等優(yōu)點，被廣泛應用于各種工業(yè)與民用建筑，特別是大跨度結(jié)構(gòu)，如體育場館、候機廳、筒倉等。

撓度是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的重要檢測項目，是對設計和施工質(zhì)量的綜合反映。撓度過大會影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能，而且通過檢測撓度的異常發(fā)展也能夠及時發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在安全隱患，避免事故的發(fā)生。GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》等標準對撓度檢測提出了技術要求，但相關標準對于撓度具體檢測方法的表述不夠明確。本文探討了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的撓度檢測方法及應用實例，為類似結(jié)構(gòu)撓度檢測提供參考。

1 撓度檢測方法

1.1 撓度的計算

根據(jù)JGJ 8—2016《建筑變形測量規(guī)范》，撓度是建筑的基礎、構(gòu)件或上部結(jié)構(gòu)等在彎矩作用下因撓曲而產(chǎn)生的變形。對于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，撓度一般是指在重力等作用下各節(jié)點在垂直方向上產(chǎn)生的相對位移量，反映了構(gòu)件的彎曲程度。

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》，構(gòu)件的豎向撓度值f1按下列公式計算：

圖1 中，AO 和BO 的連線，是在不考慮構(gòu)件自重和外部作用力，僅在端部支撐出現(xiàn)不均勻沉降條件下構(gòu)件所處的位置，連線上構(gòu)件各點的標高可以看做是基準標高。檢測點E 的基準標高EO 與實際位置E’之間的垂直距離即為該點的撓度1f。式（1）主要適用于兩端鉸接的線性構(gòu)件撓度計算，并不完全適用于空間結(jié)構(gòu)撓度的計算。對于網(wǎng)架網(wǎng)殼等空間結(jié)構(gòu)，首先也需要確定檢測點的基準標高，然后測量實際標高與基準標高的垂直距離即為撓度值。

圖1 豎向撓度

1.2 基準標高的確定

由于支撐結(jié)構(gòu)變形、施工偏差和基礎不均勻沉降等的影響，網(wǎng)架支座之間會存在高差，進而影響到檢測點的基準標高。檢測點基準標高是以不受自重和任何外部作用力影響，只受支座高差影響的條件下，構(gòu)件上各質(zhì)點所處的位置為基準。對于基準標高的確定，文獻[1-2]建議，對于各種類型的網(wǎng)架特別是擬夾層板及擬板法分析法設計的網(wǎng)架，可以采用空間桿系有限元法來確定。

本文建議采用結(jié)構(gòu)設計軟件來計算檢測點基準標高，特別是對一些異形結(jié)構(gòu)和復雜結(jié)構(gòu)，能讓計算結(jié)果更加準確和便捷。以3D3S 結(jié)構(gòu)設計軟件為例，把恒載取值和恒載自重系數(shù)均設為零，在結(jié)構(gòu)計算模型中把存在相對高差的支座Z 向設置成彈性約束，并在該支座球節(jié)點施加適當?shù)呢Q向節(jié)點荷載，使得支座節(jié)點位移與實際相對高差一致。對結(jié)構(gòu)進行內(nèi)力分析，查得各節(jié)點在恒載作用下的豎向位移值，即為各節(jié)點的基準標高。

1.3 檢測點的布置

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》的規(guī)定，跨度24 m及以下鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，測量下弦中央一點；跨度24 m 以上鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，測量下弦中央一點及各向下弦跨度的四等分點。這里的等分點指的是下弦跨度的等分點，而不是整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的下弦等分點。在實際工程檢測中，應結(jié)合結(jié)構(gòu)布置情況選取測量點，測量點布置應能反映變形情況，對于懸挑長度較大的網(wǎng)架，宜增加懸挑端部檢測點。

1.4 測量方法

撓度檢測通常用水準測量方法和全站儀法。水準測量方法常用在的高度不大的小型網(wǎng)架上，可以用上部帶有環(huán)形鐵鉤的鋼絲下掛鋼直尺和配重，配合水準儀進行檢測。檢測時把鐵鉤掛在靠近球節(jié)點的桿件上進行水準測量。對檢測結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理時，要考慮桿件直徑的影響。

全站儀法應用范圍較廣，使用較方便。對于新建網(wǎng)架，可以在球節(jié)點水平中心位置做好觀測標志，直接檢測球心高程。對于已建成的網(wǎng)架，可以通過球殼擬合的方法得到球節(jié)點的中心高程[3]；在已知螺栓球切削面高度時，也可以檢測螺栓球底平面高程[4]。對于使用周期較長的在役網(wǎng)架，在球節(jié)點或者桿件水平中心位置會形成明顯的灰塵分界線，可以選取合適的位置利用灰塵分界線作為觀測點進行檢測。

1.5 檢測結(jié)果的判定

對于新建工程，按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標準》的規(guī)定，鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)總拼完成后及屋面工程完成后應分別測量其撓度值，且所測的撓度值不應超過相應荷載條件下?lián)隙仍O計值的1.15 倍。目前大部分鋼結(jié)構(gòu)設計圖紙沒有給出撓度設計值，在檢測前應請設計單位提供撓度設計值。部分檢測機構(gòu)以JGJ 7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》給出的允許撓度值進行結(jié)果判定，這是不妥的，允許撓度值是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在恒荷載和活荷載標準值作用下的最大撓度值，是對結(jié)構(gòu)設計的統(tǒng)一要求。撓度設計值，是對特定工程結(jié)構(gòu)模型僅在相應恒載作用下進行位移計算得出的撓度值。撓度設計值可能會比允許撓度值小得多。因此，對于新建網(wǎng)格結(jié)構(gòu)撓度檢測，用撓度允許值進行判定不符合規(guī)范要求。對于在役工程可靠性鑒定，撓度檢測應按照GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標準》和GB 50144—2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標準》等標準的要求進行判定。

2 工程實例

某加油站屋面罩棚，采用正放四角錐螺栓球節(jié)點網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建筑面積約1 680 m2。下弦柱點支承，柱距為14 000×18 200（13 000）mm，最大懸挑長度7 400 mm，彩色壓型屋面板。網(wǎng)架最小厚度為1 300 mm，最大厚度為1 650 mm，柱高約為8 300 mm。

該網(wǎng)架最大跨度不超過24 m，撓度檢測點選取每跨下弦中央一點（檢測點9、10、11），考慮懸挑長度相對較大，增加懸挑端部檢測點（檢測點12、13、14、15）。支座編號及測點布置見圖2。

圖2 支座編號及測點布置

利用全站儀檢測支座和各檢測點球心高程，并以支座Z5 標高為基準，計算各節(jié)點與支座Z5 的實際相對高差，檢測及計算結(jié)果見表1。

表1 撓度計算表（單位：mm）

采用3D3S 結(jié)構(gòu)設計軟件計算檢測點基準標高，同樣以支座Z5 為基準，在結(jié)構(gòu)模型中把其余各支座Z 向設置成彈性約束，并在各支座球節(jié)點施加豎向節(jié)點荷載，節(jié)點荷載取值為：支座剛度*實際高差（相對于支座Z5）進行內(nèi)力分析，檢查發(fā)現(xiàn)支座節(jié)點位移與實際高差一致，并可以查得各測點的豎向位移即為基準標高計算值，計算結(jié)果見表1。

各測點相對于支座Z5 的實際高差減去基準標高計算值，即得到該測點的撓度值。從表1 中的撓度值計算結(jié)果可以看出，該網(wǎng)架橫向呈現(xiàn)兩側(cè)下?lián)稀⒖缰猩蠐系臓顟B(tài)。下弦中央處的撓度值并非是結(jié)構(gòu)撓度的最大值，懸挑端撓度較大，而且遠大于撓度設計值的1.15 倍。

3 結(jié)語

通過撓度值來檢驗施工質(zhì)量或評估結(jié)構(gòu)構(gòu)件能否繼續(xù)承載，具有很高的實用價值。在工程實踐中，撓度檢測應根據(jù)結(jié)構(gòu)布置情況和特點，選取合適的撓度檢測點。利用結(jié)構(gòu)設計軟件可以更為準確地計算檢測點基準標高，再結(jié)合施工現(xiàn)場情況采用合適的檢測方法，可以較為準確地檢測空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)撓度值，為工程質(zhì)量評定提供可靠依據(jù)。