某演播廳屋面吊裝平臺實荷加載檢測研究

赫傳凱，隋明昊，任 琦，李宏達

（1.國家電子工程建筑及環境性能質量監督檢驗中心，北京 100142；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；3.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142）

0 引言

隨著經濟的迅速發展，演播廳一類的公共建筑數量在我國顯著增長。這類建筑不僅結構跨度大，而且使用功能復雜，常依托鋼結構屋架設有吊裝平臺，以提升、吊運各種設備，滿足演播需求。經過一定的服役期之后，鋼結構易因焊接失效或者銹蝕等原因，出現承載力下降或者變形超限的情況。

對于現有的屋架吊裝平臺而言，其結構實際受力程度遠超于設計時的理論假定。由于在設計計算過程中進行了簡化，多數已建的屋架吊裝平臺的約束條件均為彈性約束，均不是現實狀態的簡支或嵌固形式。在通常設計計算中所考慮的內力傳遞路徑是由上向下的，但屋架吊裝平臺結構件在實際受力后的變形，往往會受到支座端部的約束而影響該構件。結構構件之間的實際力學相互作用，會導致其與設計時的理論破壞形態完全不一樣。因此，對于已建屋架吊裝平臺結構實荷加載下的受力規律與設計的理論結果有一定的差別，但實荷加載結果更接近于實際情況。因此，有必要對其進行定期檢測，以保障建筑結構的安全性不受影響［1-3］。

1 工程概況

某演播廳結構主體為鋼框架結構，演播室屋蓋為網架結構，通過在球節點上焊接槽鋼豎桿，在網架下方設置一層由槽鋼焊接形成的吊裝平臺。演播廳吊裝平臺標高約為 12.620 m，主要用于吊裝演播用燈光舞美所需設備，該工程建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，地面粗糙度：B 類，地基穩定性：穩定地基基礎，所在地區的抗震設防烈度為 8 度，設計基本地震加速度 0.20g，設計地震分組：第二組，場地類別：Ⅲ 類，基本雪載：0.45 kN/m2，基本風壓：0.45 kN/m2（50 年一遇），風載體型系數：1.40。根據甲方的意愿，在原結構上進行結構實荷檢測。

吊裝平臺設計吊裝荷載主要分為以下 4 大類。

1）與鋼網架連接的豎桿（10# 槽鋼），設計吊裝荷載為 1 600 kg。

2）屋架吊裝鋼框架水平梁 1（14# 槽鋼），吊點間距≥2.8 m，設計吊裝荷載為 1 100 kg。

3）屋架吊裝鋼框架水平梁 2（10# 槽鋼），吊點間距≥4 m，設計吊裝荷載為 250 kg。

4）屋架吊裝鋼框架水平梁 3（8# 槽鋼），吊點間距≥1 m，設計吊裝荷載為 60 kg。

考慮使用用途，對演播廳吊裝平臺的各結構構件（除水平梁 3 以外）進行實荷檢測的荷載（見圖 1～圖 3）。

圖1 實荷檢測布點位置（單位：mm）

圖2 現場加載照片

圖3 現場數據采集照片

1）與鋼網架連接的豎桿，最大吊裝荷載為 800 kg。

2）屋架吊裝鋼框架水平梁 1（14# 槽鋼），吊點間距≥2.8 m，最大吊裝荷載為 550 kg。

3）屋架吊裝鋼框架水平梁 2（10# 槽鋼），吊點間距≥4 m，最大吊裝荷載為 250 kg。

2 檢驗依據和試驗方案

2.1 檢驗項目

1）演播大廳吊裝平臺實荷檢測［4，5］；

2）鋼框架水平梁 2（10# 槽鋼）承載力驗算。

2.2 檢驗鑒定依據

1）GB/T 50344－2004《建筑結構檢測技術標準》。

2）GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》。

3）GB 50205－2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》。

4）GB 50017－2017《鋼結構設計標準》。

5）JGJ 8－2016《建筑變形測量規范》。

6）GB/T 50621－2010《鋼結構現場檢驗技術標準》。

2.3 實荷加載方案和檢測過程

本次試驗主要是模擬該屋架吊裝平臺接近于實際受力情況，因此該實荷加載試驗主要以“內力模擬”為主，而非簡單的“力學分析”。該實驗具體步驟如下：①通過力學軟件進行結構受力計算分析，得出屋架吊裝平臺結構在原設計內力包絡圖中的控制截面內力值；②根據力學分析結果，選擇實荷加載的主要構件，以及其相鄰區受力構件的荷載分布；③選擇適宜的荷載值對不同構件進行加載試驗。最后根據荷載分布、大小情況和應力集中特點，對于均布荷載作用下連續的條形構件梁，其支座處受力轉動的變形量較小，因此不考慮荷載隔跨分布造成的不利情況。應根據該工程屋架吊裝平臺結構的設計使用功能，鋼框架恒荷載的標準值、活荷載標準值、豎向荷載標準組合（恒+活荷載標準值）及設計值，結合荷載主要傳遞路線進行調配計算，其傳遞路徑為上部恒（活）荷一次梁一主梁一端部支座。

實荷加載檢測工作順序為：屋架吊裝平臺水平梁 1 和水平梁 2 實荷檢測同時進行，最后進行豎桿實荷檢測。吊裝平臺的實荷加載試驗加載、卸載主要程序及相關參數如下。

1）豎桿：分 3 級加載，分別為 300、250、250 kg，加載完畢后保持 15 min，測量變形值，加載到最大荷載后，保持 1 h，每隔 15 min 檢測一次變形值，直到變形值不再明顯增加為止。

2）水平梁 1：分 3 級加載，分別為 200、200、150 kg，加載完畢后保持 15 min，測量變形值，加載到最大荷載后，保持 1 h，每隔 15 min檢測一次變形值，直到變形值不再明顯增加為止。

3）水平梁 2：分 3 級加載，分別為 100、75、75 kg，加載完畢后保持 15 min，測量變形值，加載到最大荷載后，保持 1 h，每隔 15 min 檢測一次變形值，直到變形值不再明顯增加為止。

4）卸載方式：分 3 級卸載，卸載重量與同級加載重量一致，在每一級卸載和卸載全部荷載后，測量變形值。使用 3D 掃描技術［6］對水平梁 1、水平梁 2、豎桿測點成像，如圖 4 和圖 5 所示。

圖4 屋架吊裝鋼框架水平梁 1 及水平梁 2 測點 3 D掃描實測圖

圖5 屋架吊裝鋼框架豎桿測點 3 D 掃描實測圖

3 演播大廳吊裝平臺實荷檢測結果

3.1 變形檢測結果

各測點實荷檢測各階段的變形值檢測結果如表 1 和表 2 所示，水平梁實荷加載各階段測點處變形量如圖 6 所示，豎桿實荷加載各階段測點處變形量如圖 7 所示。

表1 變形值檢測結果

表2 變形值檢測結果

圖6 水平梁實荷加載各階段測點處變形量

圖7 豎桿實荷加載各階段測點處變形量

檢測結果表明：所測屋架吊裝鋼框架水平梁 1（14 # 槽鋼）及水平梁 2（10 # 槽鋼）在所加載配重的全過程中，變形量均滿足 GB 50017－2017《鋼結構設計規范》對于工作平臺梁的撓度允許值 l/400 的要求；豎桿上吊裝荷載遠小于設計荷載，加載時未發生明顯變形。

3.2 水平梁 2（10 # 槽鋼）承載力計算結果分析

采用某結構分析軟件對屋架吊裝平臺水平梁 2（10 # 槽鋼）吊裝 250 kg 設備時吊裝工況下進行承載力驗算，依據該屋架吊裝平臺結構設計圖紙，搭建力學結構單跨計算模型，依據 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》的規定，采用懸掛荷載乘以動力系數的方法進行動力計算，動力系數選用最不利工況的 1.3，集中荷載作用在最不利的跨中位置，集中荷載設定為 3.25 kN，驗算結果如圖 8、圖 9 所示。

圖8 10# 槽鋼承載力驗算結果

圖9 10# 槽鋼撓度驗算結果

本工程根據屋架吊裝平臺的設計使用功能、驗算得出的限值，考慮荷載長期作用的影響，本次加載試驗的受彎構件（水平梁）的撓度檢驗應滿足式（1）。

式中：αs0為實際荷載作用下構件撓度檢驗實測值；［αs］為受彎構件的撓度檢驗最大允許值。

本試驗撓度檢驗允許值為設計計算得出的理論值，應滿足式（2）。

式中：［αf］為構件撓度設計最大限值。當本次加載試驗達到S時，試驗最大加載值為M時，θ為荷載長期作用下對撓度增大的影響系數，本次試驗取θ=2.0。

計算結果分析：屋架吊裝平臺水平梁 2（10# 槽鋼）在 250 kg 吊裝工況下，槽鋼正應力、穩定應力和剪切應力均滿足相關規范要求，該結構構件安全可靠。

4 結論及建議

本次現場實荷加載檢測屋架吊裝平臺結構的試驗是成功的，采用現場實驗的方法為推廣這種結構技術提供了有力的技術保障，通過本次試驗可以得到以下結論。

1）經檢測，所檢屋架吊裝平臺水平梁 1、2 在所加載配重的全過程中，變形量均滿足 GB 50017－2017《鋼結構設計規范》對于工作平臺梁的撓度允許值 l/400 的要求，該結構構件安全可靠。

2）屋架吊裝平臺水平梁2的動力計算結果顯示 250 kg 吊裝工況下，槽鋼正應力、穩定應力和剪切應力均滿足滿足規范要求，為安全考慮，在使用過程中應按設計圖紙要求吊裝設備，應盡量靠近主梁即 14 # 槽鋼處吊裝，不得布置在 10 # 槽鋼跨中。

3）在使用過程中，每半年檢查一次豎桿及各水平梁間的焊接點，發現裂縫及時處理，并加大定期檢查頻率。

4）該屋架吊裝平臺在試驗荷載下能達到承載能力極限狀態，也能達到正常使用極限狀態；因此該平臺框架能滿足承載能力和正常使用要求。

5）該工程采用增加實際等效荷載的方式，其設計和計算是合理的，現場的試驗效果較好。

6）該試驗同時也確實證明了這種加載方式在現場檢測工作中是方便的、快捷的、高效的。

5 結語

本文根據同一屋架吊裝平臺結構在不同荷載情況下的分級加載，加載現場檢測實例較詳盡地闡述了實荷堆載試驗用于已建成建筑物及構筑物承載能力的安全評估時，其構件測點布置、檢驗荷載取值、數值分析及檢驗結論，希望能夠為類似工程提供參考。Q