某老舊工業廠房結構檢測與可靠性評定

錢 銘，魏常寶，張海燕，宋貝貝

（甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

0 引 言

工業建筑在自然環境和使用環境的雙重作用下，其結構功能會逐漸出現退化，結構材料存在不同程度的劣化［1］。既有老舊工業建筑因原設計標準低，再加上建筑老齡化導致結構功能減弱［2］，使建筑存在安全隱患。本文通過對老舊工業建筑的病害進行“診斷”［3］，提出“隱患”所在，并在此基礎上提出治理建議，這也是此類老舊工業建筑檢測與鑒定的出發點。對老舊工業建筑的“病害”診斷是通過對結構構件、結構系統的檢測鑒定，再通過結構計算分析［4］，對各類結構構件的安全性、使用性和可靠性進行評定［5］，后再對結構系統進行以上三項評定，最后評定出鑒定單元的可靠性等級，全面評價老舊工業建筑的“病情隱患”與“薄弱環節”［6］。

1 工程概況

某電解廠房始建于 1971 年，1975 年竣工投入使用。原廠房分為兩個系列，Ⅰ 系列廠房長 801 m，現已大部分拆除，剩余僅 213 m，廠房外部、內部照片如圖 1、圖 2 所示；Ⅱ 系列廠房長 801 m，現已全部拆除。

該剩余電解廠房為單層單跨鋼筋混凝土排架結構，跨度 21 m，柱距 9 m。現剩余廠房長度 213 m，建筑面積為 4 473 m2。廠房屋面板采用預應力大型雙 T 屋面板，下沉式井式天窗，屋架為預應力拼裝梯形混凝土屋架，排架下柱為鋼筋混凝土雙肢管柱，上柱為矩形柱，預應力混凝土魚腹式吊車梁，基礎采用爆擴樁上作鋼筋混凝土杯口基礎。80 年代因地基不均勻沉降采用挖孔灌注樁進行全面加固。

圖1 廠房外部照片

圖2 廠房內部照片

2 工業廠房可靠性鑒定程序

對于老舊的工業廠房，在技術改造或改變使用功能前均需進行檢測與鑒定，明確廠房的安全性、使用性，進而評定其可靠性，為后續的改造、加固和使用提供技術依據。廠房可靠性鑒定程序如圖 3 所示。

圖3 工業廠房可靠性鑒定程序框圖

3 檢測鑒定方案與初步調查

3.1 編制檢測鑒定方案

根據現場踏勘及收集的技術資料，對擬檢測廠房制定檢測鑒定實施方案。方案以現場的檢測、構件選取、檢測項目、檢測數量及現場安全為重點，輔助以結構計算模型選取、計算方案、結構鑒定方案進行實施方案的編制。

3.2 初步調查

通過現場踏勘，核對原勘察、設計文件，核對建筑的現狀是否與設計相符。經初步調查，該廠房有原設計圖紙、巖土工程勘察報告，現存建筑與原設計符合。廠房建于 1971 年，廠房建成后不久，部分排架柱基礎下沉較大，整個廠房穿行不均勻沉降及局部傾斜。1978 年進行局部爆擴樁加固，1981 年進行抗震加固，1986 年以后對廠房基礎采用挖孔灌注樁進行全面加固，每個基礎采用 2 根灌注樁進行加固。2004 年又對廠房進行了加固。2004 年后電解廠房停產閑置。后來拆除廠房Ⅰ系列大部分和Ⅱ系列全部，剩余 213 m 廠房近幾年作為倉庫使用。

4 地基基礎調查與檢測

4.1 場地與地基基礎調查

廠房所在場地位于某河下游谷地右岸，場地地勢平坦，屬于河右岸 Ⅲ 級階地。場地濕陷性黃土層厚度約為 29 m，為自重濕陷性黃土場地，濕陷等級為Ⅲ 級。場地地層主要為晚更新世沖積和風成地層，以及第三系的紅砂巖，該場地地層自上而下依次為：①填土層、②黃土狀粉土、③黃土狀粉質黏土、④卵石層。

廠房排架柱基礎為鋼筋混凝土爆擴樁基礎，埋深一般約 8 m 左右，最深約 16 m，穿越濕陷性較高的上部土層，爆擴樁頭支承在黃土狀粉質黏土層。于 20 世紀 80 年代采用灌注樁對基礎進行全面加固。每個基礎加固采用 2 根灌注樁并采用牛腿與原有承臺連接，加固灌注樁基礎持力層均為卵石層。地基基礎加固后，廠房沉降穩定，在使用過程中未發現有不均勻沉降現象繼續發展。

4.2 地基基礎檢測

對工業廠房地基基礎的檢測首先是采用開挖探井的方式對地基和基礎進行檢測，再對上部結構進行沉降變形觀測，從而對地基基礎進行鑒定評估。

經開挖探井檢測，加固灌注樁位于杯口基礎兩側，加固灌注樁與原有杯口基礎采用牛腿連接，加固灌注樁牛腿與杯口基礎連接良好，混凝土無缺陷。加固灌注樁尺寸及進入持力層深度基本符合設計要求。根據土工試驗結果，場地濕陷性黃土層厚 29 m，總濕陷量為3～30.8 cm。

通過對上部結構位移、沉降變形觀測，廠房排架相鄰柱的沉降差有大部分超過現行 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規范》［7］相鄰柱基的地基變形沉降差允許值限值。檢測期間未發現因地基基礎不均勻沉降引起的新裂縫與新破損，吊車運行正常。

5 上部結構調查與檢測

5.1 結構布置調查

現存廠房為原Ⅰ系列電解廠房拆除剩余部分，該部分廠房為單層鋼筋混凝土排架結構，屋面板為預應力大型雙 T 型屋面板，屋架為預應力混凝土屋架，吊車梁為預應力魚腹式吊車梁，排架下柱為混凝土雙肢管柱，上柱為矩形柱。根據現場廠房實物，與設計圖紙比對，現存的結構單元與原設計圖紙相符，廠房部分結構布置平面圖如圖 4 所示。

5.2 結構構件材料強度檢測

廠房實測磚砌體強度為 7.5～10 MPa，實測砂漿抗壓強度為 2.5～3.3 MPa，檢測的結構構件均滿足現行 GB 50023－2009《建筑抗震鑒定標準》［8］要求，磚砌筑表面基本完整，未發現明顯破損、粉化現象。

經對混凝土強度齡期修正，混凝土屋面板實測強度在 25.2～32.9 MPa，混凝土屋架實測強度在17.6～38.0 MPa，混凝土 T 型梁實測強度在 16.3～28.5 MPa混凝土排架柱上柱實測強度在13.3～23.7 MPa，混凝土排架柱下柱實測強度在 17.2～38.7 MPa。

5.3 混凝土中性化與鋼筋銹蝕檢測

混凝土構件的碳化檢測是在混凝土構件上鉆孔或局部破損，用 1 % 濃度的酚酞試液噴在混凝土受檢部位，根據顏色變化來測定混凝土的碳化深度。經檢測，屋面板的碳化深度已超過鋼筋保護層厚度。3 m 平臺以下混凝土構件的平均碳化深度已超過鋼筋保護層厚度，3 m 平臺以上大部分混凝土構件碳化深度未超過鋼筋保護層厚度。

根據現場觀察，由于電解工序的特殊性，使得混凝土中鋼筋存在雜散電流。雜散電流的存在會加劇鋼筋銹蝕作用，但廠房所處地區相對干燥，絕大多數構件鋼筋所處位置環境干燥，鋼筋銹蝕較少。因此處于干燥環境的混凝土構件中鋼筋銹蝕并不嚴重。

廠房 3 m 平臺以上混凝土構件表面已呈中性化，混凝土構件鋼筋位置混凝土呈堿性，對鋼筋仍有一定的保護作用。3 m 平臺以下混凝土構件鋼筋保護層區域混凝土基本呈中性化，混凝土對鋼筋已基本失去保護作用。

圖4 廠房結構布置平面圖（單位：mm）

5.4 結構構件裂縫與損傷檢測

5.4.1 混凝土結構構件裂縫與損傷檢測

混凝土屋架產生不同程度裂紋，裂紋寬度基本＜0.2 mm，從裂紋的形態來分析，可分為以下幾種：① 沿屋架下弦縱向的順筋裂紋；②屋架下弦橫向裂紋間距幾乎相等；③屋架上弦桿和受拉腹桿出現橫向間距相等的裂紋。屋架裂紋如圖 5 所示。

圖5 混凝土構件裂紋

排架雙肢管下柱未發現明顯可見裂縫與裂紋；矩形上柱有不同程度的裂縫，裂縫從形態走向可以分為以下幾種情況：①距構件邊緣相當于保護層距離的順筋裂縫；②上柱頭產生辟裂裂縫。

5.4.2 砌體結構構件裂縫與損傷檢測

廠房圍護磚墻大多在排架柱部位豎向通長貫通開裂和部分斜向貫通開裂，墻體開裂寬度遠超 10 mm，墻體裂縫視為不適于繼續承載之裂縫，墻體裂縫如圖 6 所示。

圖6 外墻開裂

5.5 結構變形觀測

5.5.1 整體位移變形觀測

廠房外墻頂部水平位移最大為 15 mm，混凝土結構單層廠房（有吊車）外墻頂部水平位移評定為現行 GB 50144－2008《工業建筑可靠性鑒定標準》［9］A 級（外墻頂部水平位移≤H/1 250）。

5.5.2 柱頂水平位移觀測

廠房大部分排架柱頂水平位移觀測數據不滿足現行 GB 50144－2008《工業建筑可靠性鑒定標準》混凝土結構單層廠房（有吊車）排架傾斜變形評定為 A 級的規定，因廠房在使用過程中地基基礎采用灌注樁進行了全面加固，也采用墊鋼板和鋼箱的方式對吊車梁進行調平，因此排架柱的變形已不影響現吊車的運行。

5.5.3 屋架撓度觀測

該廠房混凝土屋架的撓度變形均為負值（表示起拱），其撓度變形均滿足現行 GB 50144－2008《工業建筑可靠性鑒定標準》評定為 a 級標準的要求。

5.6 結構構件腐蝕調查與檢測

混凝土屋面板檢測錘擊聲音清脆，表面不留下明顯痕跡，板肋處未見腐蝕所致表面疏松，僅有部分屋面板在端頭局部破損現象。鋼筋網水泥擋雨板上部明顯積灰，連接鋼筋已銹蝕，屬于危險構件。混凝土 T 型梁、混凝土墻板、混凝土屋架、混凝土吊車梁、混凝土排架柱檢測錘擊聲音清脆，表面不留下明顯痕跡，未見腐蝕所致表面疏松現象。

屋架水平支撐、屋架垂直支撐已大面積銹蝕，但未因銹蝕導致鋼構件截面損失。柱間鋼支撐已部分銹蝕，但銹蝕構件未因銹蝕導致鋼構件截面損失。

根據采樣掃描電鏡微觀分析結果，排架柱、屋架表層混凝土顯微結構有微小裂紋，內部混凝土顯微結構較密實，未見水化物產物結晶體發生變化。

5.7 結構構件缺陷調查

5.7.1 混凝土構件缺陷調查

混凝土屋面板局部露筋，局部混凝土屋面板因邊緣腐蝕破損，導致屋面滲漏水。混凝土 T 型梁、混凝土墻板、混凝土屋架局部有缺陷和損傷，缺損深度小于保護層厚度。混凝土排架柱局部有缺陷和損傷，缺損深度小于保護層厚度，個別混凝土排架柱局部有較大的缺損，缺損導致鋼筋露筋，鋼筋銹蝕。

5.7.2 鋼構件缺陷調查

屋架水平支撐未發現明顯局部缺陷，但有較明顯的彎曲變形缺陷。屋架垂直支撐未發現明顯局部缺陷，無明顯的彎曲變形缺陷。3 m 平臺以上柱間支撐未發現明顯的彎曲變形缺陷，3 m 平臺以下部分柱間支撐發現有明顯的彎曲變形缺陷。

5.8 構件鋼筋保護層厚度檢測

廠房雙肢管柱下柱、矩形上柱、3 m 平臺柱、混凝土屋架、混凝土 T 型梁的鋼筋保護層厚度不滿足現行 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》［10］要求，不滿足現行 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》［11］允許偏差要求。混凝土屋面板肋的鋼筋保護層厚度滿足現行 GB 50010－2010《混凝土結構設計規范》要求，滿足現行 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》允許偏差要求。

5.9 結構構造與連接檢測

5.9.1 混凝土結構構造與連接檢測

廠房排架柱頂預埋鋼板有松動現象，存在著較嚴重缺陷，個別混凝土屋架與柱頭預埋件間的連接焊縫長度達不到要求。混凝土屋架拼接節點鋼板完好，焊縫完好，僅鋼板銹蝕。因地基基礎不均勻沉降，現吊車梁與排架柱牛腿頂面均采用墊鋼箱、墊鋼板的方式進行吊車梁調平，吊車梁與調平鋼箱、鋼板焊接連接，連接基本完好，但鋼構件有銹蝕。

混凝土屋架與 T 型梁連接之鋼板有銹蝕，并發現有個別連接長度不夠。屋架水平支撐與屋架連接采用螺栓連接方式，但由于水平支撐的變形，使部分連接點的鋼構件與屋架略有拉開現象。

5.9.2 砌體結構構造與連接

廠房縱向圍護磚墻砌筑在墻梁上，未設置構造柱。縱墻因地基不均勻沉降導致墻體開裂嚴重，喪失有效的連接功能，故縱墻連接和構造不滿足現行規范要求。北側山墻設置有圈梁多道，但未設置構造柱，故北側山墻連接和構造不滿足現行規范要求。廠房南側因拆除原因，暫無山墻，廠房墻體不封閉，圍護系統不完整，不滿足規范要求。

5.9.3 鋼結構構造與連接檢測

屋蓋支撐系統中垂直支撐的長細比滿足規范要求，水平支撐的長細比不滿足規范要求，柱間支撐的長細比不滿足規范要求。

6 結構分析與計算

對廠房選取一個典型的受力排架進行結構內力計算，計算內力時已考慮水平地震力作用，承載力驗算采用檢測后混凝土強度推定值。預應力構件的預應力損失考慮時間關系。各類構件計算結果匯總如下。

6.1 上部結構分析與計算

6.1.1 屋面板承載力驗算

6.1.3 混凝土屋架承載力驗算

屋架上弦按連續梁計算，其他屋架各桿件按鉸接桁架計算。屋架上弦桿彎矩剪力計算如表 1 所示，屋架桿件軸力計算結果如表 2 所示。

表1 混凝土屋架上弦桿承載力驗算表

表2 混凝土屋架軸向承載力驗算表

經驗算，屋架各腹桿承載力滿足，上弦桿承載力略不滿足，下弦桿承載力偏低。

6.1.4 排架柱承載力驗算

排架雙肢管柱按由腹桿和肢桿組成的多層框架計算，計算結果如表 3 所示。

表3 混凝土排架柱承載力驗算表

經驗算，排架矩形上柱承載力滿足要求，但排架下柱雙肢管承載力偏低。

6.1.5 魚腹式吊車梁承載力驗算

吊車梁承載力驗算按 15 t 2 臺吊車組合計算。

6.2 地基基礎分析與計算

根據上部結構計算結果，導出柱底內力，對地基基礎進行承載力分析計算。在忽略原有爆擴樁對地基基礎承載的貢獻，對后加固的 2 根挖孔灌注樁進行復核驗算。經驗算，加固后的 2 根灌注樁承載力滿足，并有較大富裕，安全儲備足夠。

7 可靠性鑒定評級

7.1 安全性評級

7.1.1 構件安全性鑒定評級

結構構件的安全性鑒定按承載能力、構造和連接兩個項目進行評定，并取其中的較低等級作為該構件的安全性等級。

廠房 49 個構件中有 48 個砌體構件安全性綜合評定為 d 級，1 個砌體構件安全性綜合評定為 c 級。

廠房 24 塊混凝土屋面板安全性均評定為 c 級，10 組混凝土 T 型梁安全性均評定為 c 級，23 道混凝土屋架安全性均評定為 d 級，20 組混凝土魚腹式吊車梁安全性均評定為 d 級，23 組混凝土雙肢管柱安全性評定為 c 級，24 組混凝土墻板安全性均評定為 c 級。

7.1.2 結構系統安全性鑒定評級

地基基礎安全性評定根據地基變形觀測資料和建筑物的現狀進行綜合評定。經評定，廠房地基基礎加固后沉降穩定，無明顯的發展趨勢，地基基礎安全性為 B 級。

上部承重結構的安全性等級評定如圖 7 所示。經評定，該廠房上部承重結構安全性等級綜合評定為 D 級。

圖7 上部承重結構安全性評定

圍護結構系統安全性等級評定如圖 8 所示。經評定，該廠房圍護結構系統安全性等級評定為 D 級。

圖8 圍護結構系統安全性評定

7.2 使用性評級

7.2.1 構件使用性評級

砌體結構構件的使用性評級應按裂縫、缺陷和損傷、腐蝕三個項目進行評定，并取其中最低等級作為該構件的使用性等級。該廠房 49 個砌體構件中有 23 個使用性綜合評定為 c 級，28 個使用性綜合評定為 b 級。

混凝土結構構件的使用性等級按裂縫、變形、缺陷和損傷、腐蝕四個項目進行評定，并取其中最低等級作為構件的使用性等級。廠房 24 塊屋面板使用性評定為 c 級；10 組 T 型梁使用性評定為 c 級；23 道屋架使用性評定為 b 級；20 組吊車梁使用性評定為 c 級；23 組雙肢管柱中有 16 組使用性評定為 c 級，7 組使用性評定為b 級；24 組墻板中有 8 組使用性評定為 c 級，16 組使用性評定為 b 級；2 個抗風柱使用性評定為 b 級。

7.2.2 結構系統使用性評級

地基基礎使用性等級根據上部承重結構和圍護結構使用狀況評定。經評定，廠房上部承重結構使用狀況基本正常，圍護結構使用狀況基本正常，地基基礎的使用性為 B 級。

圖9 上部承重結構使用性評定

上部承重結構的使用性等級評定如圖 9 所示。經評定，廠房上部承重結構使用性等級評定為 C 級。

圍護結構系統使用性等級評定如圖 10 所示。經評定，廠房維護系統使用性等級評定為 C 級。

圖10 圍護結構系統使用性評定

8 可靠性鑒定評級

8.1 構件可靠性評級

結構構件的可靠性等級以構件的安全性、使用性兩項根據現行 GB 50144－2008《工業建筑可靠性鑒定標準》規定進行評定。

廠房 49 個構件中有 48 個砌體構件可靠性綜合評定為 d 級，1 個砌體構件可靠性綜合評定為 c 級。

廠房 24 塊混凝土屋面板可靠性評定為 c 級，10 組混凝土 T 型梁可靠性評定為 c 級，23 道混凝混凝土屋架可靠性評定為 d 級，20 組混凝土魚腹式吊車梁可靠性評定為 d 級，23 組混凝土雙肢管柱可靠性評定為 c 級，24 組混凝土墻板可靠性評定為 c 級。

8.2 結構系統可靠性評級

結構系統可靠性評級根據各個結構系統的安全性和使用性進行綜合評定。

經綜合評定，廠房地基基礎可靠性等級評定為 B 級，上部承重結構可靠性等級評定為 D 級，圍護結構系統可靠性等級評定為 D 級。結構系統可靠性評定如表 4 所示。

表4 結構系統可靠性評級表

8.3 鑒定單元可靠性評級

根據以上三個結構系統的可靠性等級評定結果，綜合評定廠房可靠性等級為四級，即該廠房極不符合國家現行標準規范的可靠性要求，已嚴重影響整體安全。廠房鑒定單元可靠性評級如表 5 所示。

表5 鑒定單元可靠性評級表

9 結語

通過對老舊工業廠房的檢測與可靠性鑒定工程實踐，對老舊的工業廠房從地基基礎到上部結構，從各種類型結構構件到各結構系統進行劃分與取樣檢測。根據各項檢測數據進行綜合分析，匯總檢測結果，再綜合勘察設計文件對廠房結構進行驗算分析，確定其承載功能［12］。后根據各項檢測結果、結構驗算結果綜合對各類結構構件、結構系統進行安全性與使用性的評定，再評定其可靠性。最后根據各結構系統的可靠性評定鑒定單元的可靠性，從而對該老舊工業廠房進行全面的“體檢”分析，也就能夠找出老舊工業廠房所存在的安全隱患，為后續使用及治理提供技術條件［13］，對其他類似的老舊工業建筑檢測鑒定也有一定的借鑒意義［14-15］。