大跨網架結構安全性診斷與分析

楊明飛(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

邵浩，王天坤，徐穎，宗翔(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

涂剛要(合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

20世紀80年代，國家建造了一些大跨網架結構，大部分目前仍在繼續服役，但部分結構在使用的過程中出現了很多問題[1，2]。近年來建筑結構鑒定和加固技術的快速發展[3]，對該類型的建筑進行安全可靠性的評定勢在必行[4，5]。尤其是符合現在提出的全壽命周期設計的理念，希望既有建筑結構在超越使用年限后[6]，仍能夠保持或者經過適當的修復仍能保持其應有的功能及結構安全性[7，8]。筆者以某既有大跨網架結構工程的安全可靠性鑒定為例，對該類型結構的安全性進行了評估，同時得出了一些相關結論，為后續的相關工作奠定了基礎。

1 某既有大跨網架結構工程及外觀檢測

該項目位于淮南市某區，設計建造于1984年，主體為鋼筋混凝土柱支撐大跨網架結構，填充墻為實心黏土磚，磚砌體標號為75#，使用25#水泥石灰混合砂漿砌筑(原設計中注明)。鋼筋混凝土柱采用200#混凝土澆筑，大跨網架結構采用螺栓球節點連接，桿件截面100mm×5mm。接受委托，按照現行《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)[9]的要求對網架及支撐結構進行了安全性可靠性鑒定，大跨網架結構外觀及檢測示意圖如圖1所示。

外觀檢測結果表明，整體結構基本完好，支撐鋼筋混凝土柱及維護墻體除局部抹灰層脫落外，未見主體結構有明顯破損。大跨網架結構屋面外觀良好，未見明顯破損，僅在西南角處，由于填充墻連接部位破損，造成局部漏水，但不影響主體結構安全性。網架結構上部采用木質屋面，屋面防水材料不詳，未發現屋面有漏水點，但由于建造時間較長，大跨網架結構的部分桿件有銹蝕情況。

2 大跨網架結構原位檢測

2.1 鋼筋混凝土柱回彈強度檢測

根據大跨網架的結構類型及現場實際情況，依據國家標準《建筑結構檢測技術標準》(GB/T50344-2004)[10]及行業標準《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23-2011)[11]，對該大跨網架結構混凝土柱進行隨機抽樣(抽樣比例不小于30%且不宜少于10件)回彈檢測，典型的回彈測區如圖2所示。檢測結果顯示，混凝土強度回彈修正值達到21.3MPa，碳化深度檢測結果顯示超出6mm。

圖1 大跨網架結構

圖2 混凝土回彈測區示意

圖3 鋼筋混凝土柱中銹蝕箍筋

2.2 鋼筋混凝土柱內部鋼筋間距檢測

對大跨網架結構的主要支撐構件(柱)內部鋼筋間距的檢測，依據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2015)[12]進行了批量測試，抽檢比例為2%，儀器采用P.S-1000 混凝土結構掃描儀(工程雷達)、一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)和鋼尺。

根據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)[13]及原始設計圖紙推定出柱內部鋼筋的原始間距，再與檢測結果作比較。通過比較可知，鋼筋混凝土柱中縱筋實測間距均與推定的設計值相差不大，檢測點的合格率達到75.9%，柱子中的箍筋加密及非加密區間距的合格率為76.6%。

2.3 鋼筋混凝土柱保護層厚度及截面尺寸檢測

1)保護層厚度檢測 采用一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)對鋼筋混凝土柱子保護層厚度進行了檢測，依據標準《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2015)，非懸挑構件抽檢最低比例2%。檢測結果與原始設計推定值比較可知，鋼筋混凝土柱保護層厚度檢查點合格率89.3%，但是去除抹灰層厚度的過程中發現有一根混凝土柱出現箍筋裸露銹蝕，如圖3所示。

2)截面尺寸檢測 采用鋼尺對鋼筋混凝土柱截面尺寸進行了批量檢測，依據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2015)和《民用建筑可靠性鑒定標準》 (GB50292-2015)進行測試，抽檢最低比例為1%且不應少于3個構件。測試結果顯示，鋼筋混凝土柱截面尺寸合格率為100%，符合設計要求。框架柱Z6檢測結果如表1所示，其中容許偏差范圍為-5～+10mm。

表1 框架柱Z6檢測結果

2.4 大跨網架結構撓度檢測

1)檢測方法 按照《建筑變形測量規范》(JGJ 8-2007)[14]和《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2001)[15]的要求，采用全站儀對該大跨網架結構的關鍵節點進行撓度檢測，測試點分布如圖4所示。

2)檢測數據 經過測試，中心點M108測試結果顯示坐標Z，Y，Z：1.093m，-1.154m，11.679m；周邊測試點位數據如表2所示。

表2 點位測試結果

3)檢測結論 根據測試結果計算相對撓度，最大值為59mm，平均值42.5mm，按照《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB50205-2001)相關規定，大跨網架結構整體撓度不應超過ls/250(ls為短向網架軸距)，經計算該網架結構的最大撓度不應超過104mm，因此大跨網架結構的撓度變形滿足要求。

2.5 大跨網架結構構件銹蝕檢測

由于大跨網架結構為20世紀80年代建造，且后期維護不到位，導致部分構件出現銹蝕現象，典型的銹蝕情況如圖5所示。

根據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.3節規定，大跨網架結構部分構件出現銹蝕情況，但銹蝕深度較小，多數桿件和螺栓球表面油漆防銹層起泡，部分出現脫落，因此銹蝕等級評定為Cu級，需要后續修復。

兩種數據格式，并且提供全自動流程化的方式，應用CASS軟件采集的CAD數據來創建一個臨時庫，點擊“導入的數據”，選擇“導入QS等地籍格式數據”即可提取房屋、宗地、界址點、界址線等地籍數據，從而完成城鎮地籍數據的轉換。

3 大跨網架結構有限元分析

3.1 靜力分析

使用有限元軟件ANSYS對大跨網架及其支撐-鋼筋混凝土柱進行了數值建模，混凝土柱均選擇beam188單元模擬，網架結構的桿件選擇pipe20單元模擬，屬性設置均按照現場實測數據采用，混凝土采用C20，鋼材采用Q235，考慮大跨網架結構桿件的銹蝕情況，將鋼材的彈性模量降低10%。在靜力荷載作用下，整體結構的模型及靜力作用下結構的受力如圖6所示。

圖6 整體結構模型及靜力分析結果

由圖6可知，在靜力荷載的作用下,大跨網架結構的跨中及周邊支撐節點處應力較大,其最大應力發生支座位置,達到17.6MPa，最大豎向變形為2.2mm，滿足靜力承載及變形的要求。

3.2 模態分析

為了得到整體結構的動力特性，利用有限元軟件ANSYS對大跨網架結構整體進行了分析，得出結構的前4階振型，如圖7所示。

圖7 結構振型圖

表3 整體結構自振頻率

由圖7可知，受檢整體結構第1振型為扭轉振動，符合網格結構的動力屬性特點。第2、3階振型均以大跨網架結構的平動為主，其前10階自振頻率如表3所示。

通過模態分析，結果表明4階及以后的結構自振頻率較為密集，說明大跨網格結構的動力屬性滿足要求。

3.3 動力時程分析

考慮到淮南地區為7度抗震設防，依據現行的《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010(2016版))[16]，利用峰值加速度為220g的3條地震波(Elcentro波、Taft波和人工波)對結構進行了三向激勵，地震波的時長采用20s。在Elcentro波作用下，結構整體受力和中心點水平位移如圖8所示。

由圖8可知，在Elcentro波激勵下，大跨網架結構的最大應力出現在支撐節點處，其值為189.0MPa，中心點X方向最大水平位移為82.6mm，Y向最大水平位移為113.9mm，因此層間最大相對彈塑性位移角為[1/87.8]，與現行《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010(2016版))進行對比可知，結構滿足彈塑性位移角限值[1/50]的要求[13]。

4 安全性鑒定

4.1 第1層次鑒定[構件安全性評級Au、Bu、Cu、Du]

1)圍護結構構件 根據《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015第5.4節，圍護結構-填充墻體，未觀察到有裂縫出現，整體外觀較好，圍護結構構件安全等級應為Au級。

圖8 框架結構受力與位移時程

2)鋼筋混凝土結構構件 根據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.2節，大跨網架結構支撐體系-鋼筋混凝土柱外觀良好，無明顯變形，回彈修正值達到21.3MPa，滿足原設計要求，僅在個別位置出現鋼筋裸露，但未發生嚴重銹蝕現象，因此鋼筋混凝土結構構件安全等級評定為Bu級。

根據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.3節，大跨網架結構整體撓度滿足規范要求，因此大跨網架結構構件安全等級評定為Bu級。

4.2 第2層次鑒定[子單元安全性評級Au、Bu、Cu、Du]

1)承重結構子單元 依據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.2和7.3節，該網架結構部分承重結構構件-鋼筋混凝土柱強度滿足要求，地基未出現不均勻沉降現象，因此承重結構子單元安全性等級評定為Bu級。

2)屋面網架結構子單元 依據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.4節，由于大跨網架結構中出現部分構件銹蝕現象，油漆防銹層部分脫落，其承載能力受到一定的影響，因此網架結構子單元安全性等級評定為Bu級。

4.3 第3層次鑒定[鑒定單元(建筑)安全性評級Asu、Bsu、Csu、Dsu]

按照《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)的規定，同時考慮到整體結構的基礎沉降、承載能力及構件銹蝕等問題，將整體結構的安全性等級評定為Bsu級。

5 結論

以某既有大跨網架結構原型鑒定為例，經過原位檢測和對采集的數據及數值模擬分析，得出了以下結論：

1) 大跨網架結構屋面外觀良好，未見明顯破損，僅在西南角處，由于填充墻連接部位破損，造成局部漏水，但不影響主體結構安全性和穩定性。整體結構基本完好，支撐鋼筋混凝土柱及維護墻體除局部抹灰層脫落外，未見主體結構有明顯破損。

2) 大跨網架結構部分構件出現銹蝕情況，但銹蝕深度較小，多數桿件和螺栓球表面油漆防銹層起泡，部分出現脫落，因此銹蝕等級評定為Cu級，需要后續修復。

3) 經數值模擬分析可知，該網架結構仍滿足靜力承載、變形和自身動力屬性的要求；動力時程分析顯示，結構滿足彈塑性位移角限值要求。

4) 綜合測試結果，該網架結構的安全性等級被評定為Bsu級，今后的改造加固甚至拆除應以此為基礎進行。

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