既有網架結構的安全診治關鍵技術及應用

姚志東，盧 煒

（1.中冶建筑研究總院（深圳）有限公司，廣東 深圳 518055；2.深圳市建筑幕墻智能檢測工程技術研究中心，廣東 深圳 518055）

0 引言

自改革開放以來，我國建筑和基礎設施工程快速發展，建造了大量的大跨度鋼結構工程，其中網架結構屋頂占據多數，包括體育場館、展覽館、交通樞紐、大型倉儲等［1，2］。隨著城市發展進入存量建筑時代，相當數量的網架結構使用年限超過 20 年，如何準確地評估其整體安全性能成為一個系統性的問題。

本文以投入使用超過 25 年的深圳某公共區域屋頂網架結構作為研究對象，通過對其結構安全性能進行多種參數的現場檢測并獲得檢測數據，然后進行建模計算和評估分析，對分析結果進行系統的研究。該研究對類似既有網架結構的評估有積極的參考意義。

1 建筑物概況

該網架結構所屬主體建筑位于深圳市某主題公園園區內，主要功能為用于表演節目的中心劇場，屬于人流密集場所，設計于 1993 年，竣工于 1994 年并于當年投入使用，是該園區內的主要景點。

1.1 工程概況

該網架的結構形式為正放四角錐螺栓球節點網架，結構長 42 m，寬度為 36 m，網架高度由 1.6 m 變至 3.2 m，屋蓋水平投影面積約 1 210 m2，整體放置在劇場觀眾席所處的屋頂位置，其中網架的支座放置在主體結構混凝土柱頂之上，整體造型由局部矩形和半圓形組成，對稱布置。

結構整體示意如圖 1 所示。

圖1 網架結構計算模型

1.2 診治目的

該網架結構經過了超過 25 年的使用，結構表面防火涂層退化嚴重，桿件出現了大面積的銹蝕現象，如圖 2 所示。本次診治的目的即是通過現場檢測和評估分析，診斷該網架結構目前的安全性能，并為其后續的加固修復和安全使用提供可靠的技術依據。通過總結這一過程，即可形成安全診治關鍵技術。

圖2 結構現狀

2 現場檢測

既有網架結構的安全診治首先從現場檢測開始，主要分為三部分，分別是復核檢測、探傷檢測和外觀缺陷檢測。現場檢測的部分檢測內容如圖 3 所示。

圖3 現場檢測

2.1 復核檢測

復核檢測主要是選擇抽檢一定比例進行現場檢測數據和設計圖紙的對比，包括兩大類，一是平面布局檢測，二是構件尺寸檢測。

如果檢測數據和設計圖紙相匹配，則視為滿足設計圖紙要求，反之則需總結不匹配數據，或者擴大抽檢數量進行驗證。若檢測對象沒有設計圖紙，本類型檢測的主要目的就是通過檢測平面布局和構件尺寸以便復原圖紙，以作為后續計算分析的依據，且抽檢比例要多于有設計圖紙的情況。

2.1.1 平面布局檢測

該部分檢測重點比對了結構實際的平面布局和設計圖紙，包括軸網尺寸，上弦桿、腹桿和下弦桿的平面布置（見圖 4），以及結構支座布置等。檢測結果表明，該網架結構的平面布局同設計圖紙是相符的。

2.1.2 構件尺寸檢測

構件尺寸檢測主要內容包括桿件尺寸和螺栓球尺寸兩類。

1）桿件尺寸檢測。根據統計，桿件總數 2 751 根，采用 GB/T 50344－2019《建筑結構檢測技術標準》［3］中建筑結構抽樣檢測的最小樣本容量，按照 B 類要求，總計抽檢了 125 根構件。檢測的內容主要是桿件的直徑和桿件壁厚，桿件直徑通過卡尺及游標卡尺現場直接測量，桿件壁厚通過對測點表面打磨露出金屬表面后采用超聲波測厚儀進行測量。

圖4 上弦桿、腹桿和下弦桿的平面布置

檢測結果表明，總計有 114 根桿件的現場測量結果和設計圖紙要求基本一致，占抽檢總數的 91.2 %，測量偏差均在 0.5 mm 以內。剩余 11 根構件的測量結果與設計圖紙結果不一致，但呈現出統一的規律，即不一致構件均為原設計尺寸為 Φ159×6.5 mm（直徑×壁厚）的桿件（見表 1）。

表1 桿件 Φ159×6.5 的尺寸抽檢測量結果 mm

根據表 1 數據，表面原設計為 Φ159×6.5 mm 的桿件統一替換為 Φ140×8.8 mm（平均值）的桿件，在后續計算建模分析中，該類型桿件的尺寸以檢測數據為準。檢測的內容主要是桿件的直徑和桿件壁厚，桿件直徑通過游標卡尺現場直接測量，桿件壁厚通過對測點表面打磨露出金屬表面后采用超聲測厚儀進行測量。

2）螺栓球尺寸檢測。根據統計，螺栓球總數 658 個，采用 GB/T 50344－2019《建筑結構檢測技術標準》中建筑結構抽樣檢測的最小樣本容量，按照 B 類要求，總計抽檢了 80 個螺栓球。檢測的內容主要是螺栓球的直徑，通過卡尺及游標卡尺現場直接測量。

檢測結果表明，抽檢的螺栓球直徑和設計圖紙要求基本一致，測量偏差均在 2 mm 以內。

2.2 探傷檢測

探傷檢測主要針對螺栓球連接狀況和桿件焊縫質量，前者因為桿件端部螺栓擰入螺栓球，無法直接進行檢測，因此采用射線探傷的方法；后者通過超聲波探傷的方法進行檢測。

2.2.1 射線探傷檢測螺栓球連接狀況

射線探傷的部分設備參數（見表 2）。

表2 設備參數

考慮到射線探傷具有一定的輻射，而劇場每天都有表演，從人員安全考慮，螺栓球射線探傷檢測數量確定為 15 個，檢測的內容為螺栓直徑（D）、螺紋長度（L）及球外螺紋長度（L1），計算得到螺栓擰入球深度（ΔL=L-L1）。根據 GB 50205－2020《鋼結構工程施工質量驗收標準》［4］要求，螺栓球連接狀況的要求是螺栓擰入球深度與螺栓直徑之比大于等于 1，即：ΔL/D≥1。

圖 5 所示為檢測的 15 個螺栓球ΔL/D計算分布，可以看出，所檢測的螺栓擰入球深度與螺栓直徑之比均大于或等于 1，表明檢測結果符合規范要求。

圖5 螺栓擰入球深度與螺栓直徑之比計算分布

2.2.2 超聲波探傷檢測桿件焊縫質量

超聲波探傷是利用超聲能透入桿件焊縫的深處，在界面邊緣發生反射的特點來檢測焊縫缺陷的一種方法，當超聲波束自焊縫表面由探頭通至焊縫內部，遇到缺陷時就發生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。根據現場實際情況，共抽檢了 24 條焊縫進行超聲波探傷，均未發現缺陷情況，表明所抽檢的焊縫質量全部合格。

2.3 外觀缺陷檢測

鋼結構經過長時間使用，最常見的缺陷破損問題就是銹蝕。對該網架結構進行外觀缺陷檢測，首先就是發現部分網架桿件、螺栓球、支座、屋面頂板及檁條存在掉漆、銹蝕現象，且鋼結構表面防火涂層基本失效。此外，現場檢測還發現網架部分支座螺栓墊板存在松動現象，部分支座與主體結構連接部位存在偏心現象。

3 安全評估

安全評估分兩個步驟，首先是建模計算，主要是分析是否有超應力桿件；其次是整體評估診斷，結合檢測結論和計算分析結果，綜合評估該網架的安全性能。

3.1 建模計算分析

建模的主要依據是現場檢測數據（主要是平面布置和桿件尺寸）和設計圖紙資料，通過專業計算軟件建模計算，得到該網架的計算結果，如圖 6 所示。

圖6 網架計算結果

進一步分析網架桿件承載力計算結果可知，該網架結構總計有 12 根最大應力超出規范要求的允許應力，占桿件總數的 0.44 %（見表 3）。其他計算結果比如長細比等參數基本滿足規范要求。

3.2 整體評估診斷

結合檢測結論和計算分析結果，該網架目前存在的安全問題如下。

1）桿件尺寸類型原設計為 Φ159×6.5 mm 的桿件，其抽檢的桿件尺寸均與原設計尺寸不符，根據檢測結果，該類型桿件統一被替換為 Φ140×8.8 mm（平均值）。

2）結構外觀破損檢測結果表明，該網架結構部分網架桿件、螺栓球、支座、屋面頂板及檁條有掉漆、銹蝕現象，網架部分支座螺栓墊板存在松動現象，部分支座與主體結構連接部位存在偏心現象。

表3 網架超應力桿件承載力驗算結果

3）網架桿件承載力計算結果表明，該網架結構桿件共有 12 根最大應力超出規范要求的允許應力，占桿件總數的 0.44 %，超應力桿件的數量占比較少。

綜合考慮以上因素，盡管存在部分安全問題，但網架結構整體狀況尚可，依據 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鑒定標準》［5］對結構安全性的規定，該網架結構的安全性等級可以評定為 Bsu級，即結構安全性尚未受到顯著影響，可以繼續安全使用，但存在的安全問題必須進行加固及修復處理。

4 加固修復

4.1 處理建議

針對前述評估診斷的結論，可以給出相應的處理建議，包括：

1）對該網架結構部分桿件、螺栓球、支座、屋面頂板及檁條出現的銹蝕損傷，應對銹損桿件除銹后采取加固處理；

2）對該網架結構支座處出現松動的螺栓墊板建議采取對應的處理措施，比如擰緊螺栓或更換；對該網架結構支座與主體結構出現偏心的現象，建議加強該處支座與主體混凝土結構的連接；

3）對該網架結構應力超出規范限值的桿件及長細比超出規范限值的桿件采取相應的加固處理措施。

除桿件加固外，加固修復的方案均可按照上述處理措施進行。

4.2 桿件加固

通過總結 12 根超應力桿件的規律，發現超應力情況都出現在規格為 Φ48×3.5 mm 的桿件上，是該網架結構采用的桿件類型中截面最小的，因此桿件截面偏小是出現超應力的主要原因，故而加固方案就是要增大這些超應力桿件的截面。

網架結構屬于空間結構，如果采用更換桿件的方式，在施工過程中拆除超應力桿件時會出現應力重分布的情況，從而有一定的安全風險，且現場施工難度很大，因此本文所提的加固方案采用在原有桿件的基礎上對稱焊接角鋼的方式，以達到增大這些超應力桿件截面積的目的。代入模型試算時，將加固角鋼和被加固桿件進行等截面換算，以換算后的桿件截面代入計算模型，經過試算，最終確定角鋼的規格為 L30×3 mm。

經過驗算，原有超應力桿件中僅 1 根桿件加固后應力略超允許應力，但未超過 5 %，可以視為基本滿足要求，其余桿件均滿足安全要求，且考慮加固后的計算結果中，其余桿件并未出現超應力情況。超應力桿件加固后的承載力驗算結果如表 4 所示，加固方案如圖 7 所示。

表4 網架超應力桿件承載力驗算結果

圖7 加固方案（單位：mm）

5 結語

根據上述內容，可以總結出一套針對既有網架結構安全診治的關鍵技術：

1）有效合理而且有針對性的檢測是安全診治的基礎，可以讓我們獲得結構目前的安全狀況；

2）精確的建模計算可以得到準確的計算結果，為結構安全評估給出最重要的依據；

3）合理有效的加固處理方案，有助于安全診治關鍵技術的閉合，從而達到讓既有網架結構繼續安全使用的目的。

盡管該關鍵技術在本文所舉例的這一網架結構上得到了相對有效的應用，但針對更大范圍的應用尚存在許多不足之處，具體如下：

1）本文選擇應用的網架結構投影面積 1 210 m2，屬于中等規模的網架，類似體育場館、會展中心等大型或超大型網架結構中還需驗證；

2）針對現場檢測，還有需要增加考慮的檢測內容，比如針對結構振動性能的檢測，針對長期性能的結構健康監測［6］、針對網架附屬金屬圍護結構的檢測等；

3）根據網架所處地域的不同，應增加專門的評估內容，以本文所舉例的網架結構，屬于沿海地區，就應該增加風致響應研究［7］和抗風性能評估和耐久性能專項評估的內容。

盡管有上述不足，針對既有網架結構的安全診治關鍵技術仍然值得推廣應用：

1）從社會影響上，網架結構一般應用在公共建筑中，面臨的是社會公共安全；

2）從技術上，現有的檢測及評估技術已經可以滿足進行有效安全診治的需求；

3）最重要一點，當城市進入存量建筑時代后，建筑物的運維和診治成為最主要的需求，會倒逼包括網架結構等既有建筑進行有針對性的安全診治［8］。Q