某體育場鋼結構網架安全性檢測與評估

賈 赟，關重陽

(1.山西春暉工程勘察檢測設計研究院有限公司，山西 太原 030009；2.山西華范工程檢測有限公司，山西 太原 030045)

0 前 言

隨著國民經濟的快速發展,現代建筑蓬勃發展，大跨度鋼結構作為現代結構的重要形式越來越得到廣泛的重視，網架結構由于整體性好、空間剛度大、結構穩定、造型優美、施工速度快、自重小，在工程中得到了廣泛的應用。然而鋼結構節點處交匯桿件數量多、安裝與制作較平面結構復雜、對荷載敏感，長期承受荷載并遭受環境侵蝕，構件銹蝕、整體剛度退化、材料老化等問題不可避免[1-2]。出現上述問題的鋼結構網架必須進行結構診斷和安全性鑒定，必要時采取加固與維修措施。鋼結構網架的結構鑒定、加固和維修技術現已成為研究熱點[3-7]。

1 工程概況

某體育場鋼結構挑蓬有主、副看臺兩部分(見圖1(a)、圖1(b))，承重結構為鋼結構，圍護結構為膜結構。挑蓬上弦靜荷載標準值為0.10 kN/m2，活荷載標準值為0.30 kN/m2，本地區基本風壓為0.50 kN/m2，基本雪壓為0.30 kN/m2。建筑結構安全等級二級，結構設計基準期50年，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值0.10g。挑蓬結構為鋼管焊接空心球節點懸臂立體桁架，鋼管采用高頻焊管，空心球采用鋼制定型產品。鋼管與空心球的材料為Q235B，鋼管與空心球節點間及支座相連的焊縫均為剖口對接焊縫，其他附件的材料為Q235B。鋼結構挑蓬總投影面積為5 200 m2。主、副看臺桿件規格見表1。主看臺鋼管直徑76～180 mm、壁厚為3.8～14.0 mm；副看臺鋼管直徑為76～180 mm、壁厚為4.0～16.0 mm；空心球節點直徑260～500 mm，壁厚為6～20 mm。

(a)主看臺挑蓬現狀

(b)副看臺挑蓬現狀

表1 主、副看臺構件規格匯總 單位：mm

2 結構安全性檢測

2.1 表觀檢查

對主、副看臺鉸支座與固定支座空心球節點及其附件的桿件進行抽樣檢測，主看臺固定支座與鉸支座共28組，副看臺固定支座與鉸支座共26組。檢測結果：主、副看臺鋼結構挑蓬出現銹蝕，挑蓬頂部膜結構殘缺不全。結構整體感觀陳舊：網架支座出現銹蝕，支座與預埋板的螺栓連接未發現松動，局部螺栓未擰緊，鉸支座下部錨筋端頭銹蝕(見圖2(a)、圖2(c))；網架桿件未發現變形、扭曲，桿件表面涂層開裂、脫落，部分桿件表面出現浮銹(見圖2(b))；空心球節點表面未發現裂紋，部分空心球表面涂層開裂、脫落，出現浮銹(見圖2(b))；鋼構件連接部位未出現裂紋，焊縫外觀質量基本完好，無明顯漏焊現象，部分焊縫部位出現浮銹現象；主看臺頂棚5跨有膜結構，其余部位均無膜結構；副看臺頂棚2跨無膜結構，其余部位均有膜結構(見圖1(a)、見圖1(b))。

(a)主看臺固定支座

(b)主看臺球節點、桿件

(c)副看臺鉸支座錨筋

(d)副看臺桿件、固定支座和鉸支座

2.2 結構布置校核及構件規格檢測

據《鋼結構現場檢測技術標準》(GB/T 50621-2010)[8]規定，現場對主看臺全部固定支座(共計14組)、副看臺全部固定支座(共計13組)結構布置進行檢測，構件尺寸規格檢測抽檢構件為200個，主副看臺各100個。現場采用激光測距儀、鋼卷尺對結構布置進行檢測，采用游標卡尺、鋼卷尺、超聲波測厚儀對空心球節點及桿件直徑、壁厚進行檢測，在構件的3個不同位置進行測量，取3處測試值得平均值作為代表值。

檢測結果：主、副看臺支座軸線尺寸及網架整體布置符合圖紙設計要求。桿件和空心球的直徑、壁厚，最大負偏差值和允許偏差見表2，主、副看臺桿件的直徑和壁厚尺寸偏差均滿足允許偏差[9-10]；空心球節點的直徑和壁厚尺寸偏差滿足容許偏差[11]。

表2 主、副看臺構件直徑和壁厚 單位：mm

2.3 構件涂層厚度檢測

涂層厚度檢測數量為構件總數的10%，同類構件不少于3件[12]。主看臺抽檢固定支座27個，桿件23個；副看臺抽檢固定支座40個，桿件10個；主副看臺共計測量100個構件。在每個抽檢構件，涂層與鋼材附著良好的部位取5個測點，測點的數值為距離50 mm的3個測點涂層厚度的平均值。檢測結果：主看臺抽檢構件涂層厚度平均值為73.9～232.6 μm；副看臺抽檢構件涂層厚度平均值為72.5～202.0 μm。

2.4 桿件焊縫超聲波檢測

焊縫超聲波檢測共80處，主、副看臺各40處。抽檢部位的鋼管與空心球節點的剖口對接焊縫，外形均勻、成型較好，焊道與金屬件過渡平滑，焊渣和飛濺物清除干凈，無明顯咬邊、表面夾渣、氣孔等狀況，焊縫外觀質量滿足《鋼結構工程施工質量驗收規范》(GB 50205-2001)中二級焊縫質量檢驗標準。主看臺焊縫抽檢結果，90%的評定為Ⅰ級，10%為Ⅱ級，Ⅱ級焊縫的最大缺陷深6 mm，長15 mm；副看臺焊縫抽檢結果，92.5%的評定為Ⅰ級，7.5%為Ⅱ級，Ⅱ級焊縫的最大缺陷深7 mm，長14 mm。鋼管與空心球節點表面焊縫無超標缺陷。

2.5 整體結構變形

主看臺固定支座和鉸支座由北至南各14組，編號1～14，副看臺固定支座和鉸支座由北至南各13組，編號1～13。主看臺固定支座，鉸支座及挑蓬頂點的標高如圖3(a)，副看臺固定支座、鉸支座及挑蓬頂點的標高如圖3c。主、副看臺頂蓬撓度的最大允許值為l/125(l為懸挑跨度)[13]。主看臺鋼結構網架撓度在36～162 mm，均未超出撓度的最大允許值。副看臺鋼結構網架撓度在79～176 mm，全部超過最大允許值(圖3(d))，最大超出35.4 mm，最小超出1.54 mm。主、副看臺固定支座和鉸支座實測與設計標高的偏差全部在最大允許范圍內(±30 mm)。

(a)主看臺實測和設計標高

(b)主看臺實測和設計差值

(c)副看臺實測和設計標高

(d)副看臺實測和設計差值

2.6 結構復核驗算

在MST2016中建立主、副鋼結構網架的有限元模型。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10 g，設計分組為第二組。結構鋼材為Q235B鋼，靜載標準值0.10 kN/m2、活載標準值0.3 kN/m2(不含結構自重)。根據2.2節中桿件截面尺寸的檢測結果，桿件壁厚統一減小0.10 mm。材料本構中彈性模量210 GPa、泊松比0.33，桿件使用歐拉梁單元，固定支座約束6個自由度，鉸支座釋放對應方向的轉動自由度。在上述工況下，有限元結果表明：主、副看臺挑蓬網架受壓、受拉桿件的最大長細比均小于180；桿件強度應力比、平面內穩定應力比、平面外穩定應力比均小于1。

3 安全性評價

根據完成的檢測項目，對該鋼結構網架進行安全性總體評價：該體育場主、副看臺鋼結構網架銹蝕普遍，分布范圍廣，頂棚無膜結構的區域網架構件較有膜結構區域嚴重，桿件銹蝕程度普遍在0.05～0.1 mm。主看臺鋼網架現狀結構整體變形在標準允許范圍內，但各處變形不一致；副看臺鋼網架支座標高均在允許范圍內，副看臺挑蓬撓度全部超出允許值。考慮桿件截面折損的有限元承載力和恒載計算結果均符合結構限值要求。故整體結構安全等級判定為Bsu級，安全性略低于標準要求，尚不顯著影響整體承載力，少數構件需要進行加固替換。

4 結論和加固建議

鋼網架整體結構安全等級判定為Bsu級，安全性略低于標準要求，鋼結構網架整體承載力下降，少數構件需加固替換。

1)需對網架進行全面除銹處理，并完善其防銹、防火涂層。在全面除銹過程中，應同步對桿件缺陷進行逐一排查。并對出現開裂破損的桿件加固或更換，加固更換前須設置防護措施。

2)對支座連接螺栓進行普查，對未緊固到位的螺栓進行緊固處理，并對其進行防銹處理；對鉸支座下部錨筋端頭采取防護措施。

3)鑒于部分桁架變形明顯的狀況，網架挑蓬的日常變形監測必須開展，并根據外界環境因素的變化(如溫度作用、風雨雪侵蝕、環境侵蝕等)調整監測方案，加強長期變形檢測。同時應當對網架每5年進行結構檢測鑒定。

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