某高層建筑屋頂鋼桁架結構損傷檢測與安全評價*

楊龍江，羅 強，汪訓流，白偉亮,3，張瑞云，謝 齊,3

(1.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142； 2.中國核工業第二二建設有限公司，湖北 武漢 430050，3.中國電子工程設計院有限公司，北京 100142)

1 工程概況

某辦公樓建筑為地下4層、地上18層框架核心筒結構體系，結構總高度為79m，出屋面幕墻高度為11.4m，出屋面幕墻支撐結構采用鋼桁架體系。現業主發現鋼桁架多處柱腳出現嚴重開裂，構件損傷程度已影響結構整體安全。由于鋼桁架結構位于屋頂，相對地面高度達90m，一旦發生結構失效，幕墻會從高空墜落，不僅會造成經濟損失，甚至可能造成人員傷亡，產生惡劣的社會影響。因此，需立即對鋼桁架結構安全進行評估，找出結構損傷原因，并給出相應處理建議。

2 總體思路

根據本工程存在安全隱患的緊急情況，采用應急檢查定性評估、詳細結構檢測與結構承載力驗算相結合的方法進行結構安全評價。應急檢查定性評估的作用在于排除危險，用最短的時間做出定性判斷，指導下一步工作；詳細結構檢測是獲取結構現狀的重要手段，將檢測得到的信息應用于結構承載力驗算中，可定量判斷結構構件承載力是否滿足要求；將上述工作成果匯總，做出結構安全綜合評價，進而找出結構損傷原因，給出處理建議，完成檢測鑒定工作。具體工作流程如圖1所示。

圖1 檢測鑒定流程

3 應急檢查定性評估

應急檢查定性評估的目的是在最短的時間內對結構安全狀態做出判定，根據初步評估結果，確定是否需立即采取處理措施或直接進行拆除。應急檢查定性評估工作十分關鍵，是保障結構安全、指導下一步工作的重要步驟。應急檢查定性評估包括結構體系及損傷檢查、危險點及程度判定，結合檢查結果，通過工程經驗進行結構安全狀態評估，判斷當前結構倒塌風險。

3.1 結構體系及損傷檢查

1)結構體系檢查 結合結構設計圖進行現場結構體系檢查，結果表明，結構受力、傳力體系合理，現場施工與設計圖紙基本符合。鋼桁架平面近似呈C形(見圖2)，總長約98.6m，寬約2.9m，結構高度為10.6m。單榀鋼桁架采用方鋼管與圓管焊接而成(見圖3)，40榀鋼桁架通過方鋼管水平桿件連接成為空間結構，并間隔設置5處柱間支撐。

圖2 鋼桁架結構布置平面

圖3 單榀桁架立面

2)損傷檢查 結構損傷檢查應明確構件損傷類型、損傷程度、損傷數量，結構典型損傷如圖4所示。檢查結果表明，本工程主要存在以下問題：①6處鋼桁架柱腳出現嚴重開裂，裂縫寬度為0.5～13mm，裂縫長度為340～710mm；②約17處立柱柱腳磚砌柱墩開裂，對應柱腳底部鋼材表面出現不同程度的銹蝕；③鋼桁架柱頂封板設置成內凹型，所有封板均出現嚴重銹蝕，多處出現穿孔情況，從而導致立柱內部出現不同程度的積水；④少量桿件節點連接處焊縫開裂，局部范圍出現點銹。

圖4 結構典型損傷

進行損傷檢查時，還對整體變形情況進行了檢查，通過構件變形檢測，判斷結構是否出現了超出正常使用極限狀態的變形。采用吊錘和鋼直尺在柱頂對鋼桁架立柱垂直度進行抽樣檢測。結果表明，所測38處立柱中，除1處安裝偏差較大外，其余立柱變形均小于安裝偏差要求。

3.2 危險點判定

對發現的損傷問題進行逐一分析，排除危險點的可能，最終確定可能存在的危險點，各問題分析如下。

1)柱腳磚砌柱墩開裂(后期使用過程中產生的損傷) 柱腳磚砌柱墩對鋼柱起耐久保護的作用，對桁架結構受力不產生影響，不直接影響桁架整體結構安全。

2)封板不嚴(原結構施工階段的質量瑕疵) 封板屬于非受力構件，其作用僅為端部防雨蓋板。

3)焊縫缺陷及銹蝕(原結構施工階段的質量瑕疵) 該缺陷數量較少，對整體結構的影響較小。

4)鋼桁架柱腳出現嚴重開裂(后期使用過程中產生的損傷) 柱腳節點是上部結構與主體高層結構的受力交叉點，受力大且集中，其安全性直接影響整體結構安全。

綜上所述，認為該結構現存的直接危險點為鋼桁架柱腳開裂。

3.3 倒塌判定

該結構體系基本合理，構件變形僅有1處不滿足規范要求，鋼桁架柱腳鋼構件開裂比例僅為7.5%，開裂構件損傷程度雖較嚴重，但通過檢查發現，損傷構件分布并無規律性，考慮到本工程為超靜定空間鋼結構體系，存在一定安全冗余，且開裂問題已存在多年，開裂處生銹未見新裂痕，因此判定：①該屋頂鋼桁架結構短時間內倒塌的可能性較小，但存在明顯安全隱患；②該結構如倒塌，需滿足外力較大及承載力不足的條件，需徹底判定安全承載力情況，并進行進一步結構詳細檢測鑒定，同時為結構加固提供技術參數。

4 結構檢測

既有建筑結構現場檢測屬于掌握結構現狀變形與損傷和結構性能參數的環節[1]，本工程詳細結構檢測包括常規的檢測項目，如構件截面尺寸檢測、構件材料強度檢測，主要與設計值進行復核，驗證其是否符合規范要求[2-3]。同時，由于缺乏施工驗收資料，增加了鋼材化學成分分析和鋼材力學性能試驗，驗證所用鋼材本身是否存在缺陷。另外，進一步對結構損傷進行補充檢查。

4.1 構件截面尺寸檢測

采用鋼卷尺、游標卡尺、超聲測厚儀對鋼桁架構件截面尺寸進行抽樣檢測。主要構件截面尺寸為：方鋼管柱150mm×5mm(邊長×壁厚)、方鋼管柱150mm×6mm(邊長×壁厚)、方鋼管梁150mm×8mm(邊長×壁厚)、圓管桿件114mm×4mm(直徑×壁厚)、圓管桿件95mm×3.5mm(直徑×壁厚)等。檢測結果表明，所測50處構件中，除2處上斜桿壁厚偏差超過設計允許偏差19%外，其他構件截面尺寸符合設計要求。

4.2 構件材料強度檢測

采用里氏硬度計對鋼桁架構件材料強度進行抽樣檢測，結果表明，鋼桁架構件均達到Q235鋼材抗拉極限強度要求，滿足設計要求。

4.3 鋼材化學成分分析

現場取樣送至實驗室進行鋼材化學成分分析，結果表明，所測鋼材C，S，Mn，P，Si含量分別為0.20，0.017，0.39，0.030，0.17，符合要求。

4.4 鋼材力學性能試驗

現場取樣對鋼材力學性能進行試驗分析，主要進行拉伸試驗和沖擊韌性試驗。拉伸試驗屬于最常規的力學性能試驗，在此基礎上，結合現場發現的柱內積水現象，需驗證鋼材在低溫環境下的變形性能，因此增加了沖擊韌性試驗。結果表明，所測鋼材抗拉強度符合設計要求(見表1)；所測鋼材沖擊韌性在常溫環境下符合要求，但在低溫環境下衰減較明顯，在-10℃時沖擊韌性值低至5.0J/cm2(見表2)。

表1 鋼材拉伸試驗結果

表2 鋼材沖擊韌性試驗結果

4.5 結構損傷詳細檢查

在初步結構損傷檢查的基礎上，重點檢查鋼柱底部開裂形態、裂縫特點。結果表明，鋼柱底部呈脆性撕裂，斷口未發現明顯塑性變形，開裂基本出現在鋼柱角部，自柱腳焊縫處向上發展；鋼柱底部均出現膨脹、鼓曲現象，最大鼓曲率達17%。另外，對部分鋼管底部進行鉆孔，發現管內基本存在積水現象，最大積水深度可達1.5m。

5 結構承載力驗算

結合現場實際檢測結果(軸線、截面尺寸、材料強度等)，采用有限元結構分析軟件Midas Gen對原有鋼桁架(未考慮結構損傷)進行結構承載力驗算，通過驗算結果判斷結構設計是否存在缺陷。由于幕墻相對地面高90m，因此正常使用情況下，風荷載作用是重點驗算內容。本工程整體長度達100m，室外鋼結構對溫度作用較敏感，需補充驗算溫度作用的影響，本文主要考慮年溫差影響[4]。驗算時各參數具體取值如表3所示，模型如圖5所示。

表3 承載力復核驗算參數

圖5 鋼桁架有限元驗算模型

5.1 風荷載作用

參考規范規定與相關文獻[4-7]，將計算得到的風荷載依據鋼桁架實際受力狀態施加到節點上。首先計算得到wk=βzμsμzw0=1.52×1.3×2.02×0.45=1.80kN/m2，其中wk為風荷載標準值，βz為風振系數，μs為體型系數，μz為風壓高度變化系數，w0為風荷載基本風壓；然后得到各節點處等效荷載，按照風力不同的作用方向，分別施加等效節點荷載。當風力方向垂直于受風面時，受風投影面積最大，所求風力最大，分別按照垂直于鋼桁架3個平面的6個方向進行風荷載作用施加(見圖6)。

圖6 風荷載作用方向示意

1)構件組合應力 在風荷載和結構構件自重荷載組合作用下，構件應力呈下大上小的規律，相對標高2.000m以下構件應力明顯大于上部構件應力。除幕墻側柱下部應力接近鋼材強度設計值外，其他位置構件應力均較小，<100MPa，尚有一定安全儲備，其中工況3構件應力驗算結果如圖7所示。

圖7 工況3構件應力驗算結果(單位：MPa)

2)構件變形 結構頂部變形最大，向下逐漸減小，均勻變化。本工程桁架結構高10.6m，頂點位移限值按照H/100考慮，H為桁架結構高度，即為106mm，6種工況結構頂部最大位移均滿足要求，其中工況3構件變形驗算結果如圖8所示。

5.2 溫度作用

本工程施工時間為夏季，按照北京夏季日平均最高氣溫35℃、冬季日平均最低溫度-15℃進行驗算。通過計算結果了解結構在溫度荷載作用下的受力趨勢，發現應力薄弱位置，綜合判斷溫度作用影響[8]。驗算結果如圖9所示，由圖9可知，桁架整體溫度應力變化均勻，結構約束較強的位置應力較大，包括結構2個轉角處及結構交叉斜撐兩側；少數構件最大應力達鋼材屈服應力235MPa；沿桁架長度方向布置的橫桿溫度應力明顯大于豎桿及其他桿件，最大應力達100MPa。結構承載力驗算結果顯示，原有鋼桁架結構在風荷載作用下，結構應力與變形驗算均滿足規范要求；在溫度作用影響下，結構應力變化均勻，未出現超限情況。

6 結構安全綜合評價

根據以上現場檢測與承載力驗算分析結果，對本工程鋼桁架結構進行安全綜合評價，并進一步分析找出構件損傷原因，給出相應的處理建議。

6.1 結構安全評價

1)構件截面尺寸、構件材料強度、鋼桁架柱垂直度基本符合設計要求。

2)鋼材化學成分、鋼材拉伸性能、常溫下的沖擊韌性均符合要求。

3)原有鋼桁架結構在設計風荷載作用下，承載力滿足規范要求；在溫度作用下，結構應力合理。6處鋼桁架結構損傷分布無明顯規律，其余結構損傷對結構承載力的削弱作用較小。

綜合評估認為，原結構安全性符合規范要求，損傷對結構有影響，但目前在可控范圍內，須進行緊急修復加固處理，才可繼續使用。

6.2 結構損傷原因分析

通過以上檢測及驗收結果，采用排除法進行分析，排除結構體系、構件截面尺寸、構件材料成分、強度、力學性能等設計或施工方面的因素，重新對鋼柱底部開裂形態進行分析。結果表明，鋼柱底部發生脆性撕裂，無塑性變形，均出現膨脹、鼓曲現象。結合鋼材低溫條件下出現韌性下降明顯的試驗結果，同時考慮柱內存在積水的情況，綜合所有因素，認為鋼柱底部開裂主要為柱內積水在冬季低溫環境下發生結冰凍脹所致，其發展過程大致如下：①封板密封不嚴，柱管內常年積水，無法排除；②柱管內常年積水，無法排除；③冬季降溫結冰，管壁體積膨脹；④常年應力無法釋放，方鋼管開始出現周向變形；⑤方鋼管在角部出現應力集中，且此處為較薄弱部位；⑥Q235B鋼構件在低溫下出現韌性降低的冷脆性，鋼管未能產生塑性變形，直接在角部出現脆性撕裂。

需指出，由水凍脹力導致的結構損傷為非結構受力因素，柱墩開裂同樣是內部受到膨脹作用所致；鋼柱底部開裂后，柱內積冰融化，鋼柱表面出現銹蝕，防水卷材發生劣化。

6.3 處理建議

根據安全評價結果與損傷原因分析結果，有針對性地給出以下處理建議。

1)逐一檢查，排出柱內積水，對發生銹蝕的鋼構件進行除銹處理，更換柱頂封板，對已開裂鋼柱進行裂縫修復處理，對出現裂縫的梁柱節點進行補焊。

2)對于承載力驗算應力較大位置(主要集中在鋼柱底部)的構件，酌情進行加固補強處理。

3)對現場檢測截面尺寸不滿足設計要求的構件進行補強。對于安裝不滿足要求的構件，可首先觀測一段時間，根據觀測結果決定是否采取措施。

4)更換老化的防水卷材，做好防水措施；加強巡查工作。

7 結語

1)高層建筑屋頂鋼結構構筑物位于高空，受人為使用因素的影響較小，受自然力的破壞損傷情況較多，適當提高屋頂鋼結構耐久可靠性，對于預防安全隱患具有重要作用。施工過程中應加強屋頂鋼結構施工質量驗收環節，提高施工質量，避免施工過程的瑕疵導致結構存在安全風險。

2)對于結構隱患的現場檢查，應逐一檢查損傷和質量缺陷，并判定損傷現象的產生是隱患產生的原因還是結果及在整個結構體系安全評估中所處階段。該鋼桁架結構封板密封不嚴是最根本的隱患之源，鋼管柱內部雨水長年累積無法排除，冬季凍脹使局部受力過大，導致構件管壁開裂，隱患逐漸由多個構件承載力降低導致的結構整體可靠性降低，轉為結構安全隱患。

3)本研究為安全隱患的準確判定、結構隱患排查及后續處理提供了參考，為類似鋼桁架結構安全評價提供了經驗，適用于工程領域其他需進行緊急安全評價的項目。準確掌控高層頂部構筑物隱患階段和綜合安全性，既是對生命安全的保障，也是對經濟損失的挽回。