網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)鋼管焊縫斷裂對網(wǎng)架安全性的影響分析

張兆亮，李 洋

（建研院檢測中心有限公司，北京 100029）

0 引言

大跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、體型大等特點。由于屋面面積大，雪災(zāi)天氣中極易在不均勻積雪作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞[1]。2021年11月長春突降強暴雪天氣，局部積雪已經(jīng)達到1m左右。該地區(qū)某廠房的網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)由于屋面積雪過厚，導(dǎo)致2根中間層鋼管（腹桿）與下弦球節(jié)點的焊縫發(fā)生嚴(yán)重開裂，連接處完全脫開。為了了解單根鋼管斷裂是否影響網(wǎng)架整體安全性的問題，防止屋蓋坍塌破壞，對該廠房進行了檢測鑒定。

1 工程概況

該工業(yè)廠房為地上1層鋼結(jié)構(gòu)，屋蓋采用采用斜放四角錐焊接空心球節(jié)點鋼網(wǎng)架，支撐方式為周邊支撐，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體由1軸~28軸的單元1、28a軸~52軸的單元2和52a軸~72軸的單元3組成，網(wǎng)架南北總長154m，東西總長494m，網(wǎng)架覆蓋總面積70196m2，網(wǎng)架與鋼柱通過墊片和4顆高強螺栓連接。整棟廠房共采用了44447根鋼管以及13453個網(wǎng)架球節(jié)點并通過焊接安裝。

2 現(xiàn)場檢測

根據(jù)相應(yīng)的檢測規(guī)范對該工業(yè)廠房進行現(xiàn)場檢測。

2.1 結(jié)構(gòu)體系及平面布置核查及網(wǎng)架質(zhì)量外觀檢查

外觀檢測應(yīng)注意以下6點：①現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)工廠結(jié)構(gòu)體系及平面布置與竣工圖紙存在明顯不一致的情況；②現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)2根腹桿與焊縫處斷裂。③現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)3根腹桿存在嚴(yán)重彎曲的現(xiàn)象。④個別網(wǎng)架球節(jié)點和個別網(wǎng)架鋼管防腐涂層局部發(fā)生脫落、并存在銹蝕的現(xiàn)象，極個別網(wǎng)架荷載未懸掛在節(jié)點上。⑤網(wǎng)架下弦球節(jié)點與鋼管間連接焊縫處普遍存在未焊滿、焊渣未清理、防腐涂層脫落并伴隨銹蝕的現(xiàn)象。⑥現(xiàn)場檢查未發(fā)現(xiàn)支座存在明顯滑動位移，但檢測中發(fā)現(xiàn)個別支座節(jié)點板存在墊片翹曲、破損、銹蝕、支座與柱頂連接板脫開、螺母缺失的現(xiàn)象。

2.2 網(wǎng)架整體撓度檢測

采用全站儀對工廠網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變形情況進行抽樣檢測，檢測工作按照《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016）[2]中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，部分檢測結(jié)果見表1。

表1 網(wǎng)架撓度檢測結(jié)果

依據(jù)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50144—2019）[3]的要求，網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)撓度允許值為L/250，檢測結(jié)果表明，所測網(wǎng)架整體撓度為L/140000～L/365，網(wǎng)架整體撓度均滿足規(guī)范要求。

2.3 網(wǎng)架鋼材強度檢測

根據(jù)結(jié)構(gòu)竣工圖紙，工廠的網(wǎng)架鋼管采用了Q235-B（規(guī)格型號為φ60mm~φ219mm）和Q345-B（規(guī)格型號為φ245mm）2種強度的鋼管。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，為減少對主體結(jié)構(gòu)的損傷，采用里氏硬度計對鋼管的鋼材強度進行檢測，檢測工作按照《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50344—2019）[4]的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，部分檢測結(jié)果見表2。

表2 規(guī)格型號為φ60mm~φ219mm的鋼管強度檢測結(jié)果

按照《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50344—2019）附錄N的要求進行鋼材強度換算及評定。檢測結(jié)果表明，所測規(guī)格型號為φ60mm~φ219mm鋼管的抗拉強度特征值的平均值為388MPa，符合設(shè)計鋼材強度等級Q235-B對應(yīng)抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（370MPa～500MPa）的要求；所測規(guī)格型號為φ245mm鋼管的抗拉強度特征值的平均值為475MPa，符合設(shè)計鋼材強度等級Q345-B對應(yīng)抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值（470MPa～630MPa）的要求。

2.4 網(wǎng)架鋼材截面尺寸檢測

采用鋼卷尺、游標(biāo)卡尺、超聲波金屬測厚儀對網(wǎng)架鋼管的截面尺寸進行抽樣檢測，檢驗工作按照《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50621—2010）[5]的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，部分檢測結(jié)果見表3。

表3 網(wǎng)架鋼管外徑和壁厚檢驗結(jié)果

根據(jù)《直縫電焊鋼管》GB/T 13793—2016[6]的規(guī)定，當(dāng)鋼管外徑D＞50mm時，鋼管外徑D允許偏差取±1.0%D；當(dāng)鋼管壁厚＞1.5mm時，鋼管壁厚t的允許偏差取±10%t。檢測結(jié)果表明，所抽檢網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的200根鋼管的截面尺寸中，有189根鋼管外徑符合設(shè)計要求，有6根鋼管外徑小于設(shè)計要求，有5根鋼管外徑大于設(shè)計要求；有196根鋼管壁厚符合設(shè)計要求，有2根鋼管壁厚小于設(shè)計要求，有2根鋼管壁厚大于設(shè)計要求。

3 建模分析

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009—2012[7]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50017—2017）[8]、《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）[9]等有關(guān)規(guī)定，對該工程結(jié)構(gòu)進行建模驗算。驗算采用PKPM2010（V5.2.3版本）系列軟件進行。

3.1 結(jié)構(gòu)模型建立

網(wǎng)架材料如表4所示。

表4 網(wǎng)架鋼管材料

3.2 驗算中所取的基本參數(shù)

（1）鋼材自重由程序自動計算，鋼材容重取78.5kN/m3。

（2）基本風(fēng)壓取0.65kN/m2；基本雪壓取0.45kN/m2。

（3）抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。

（4）網(wǎng)架鋼管強度按設(shè)計要求取值。

（5）恒荷載、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照現(xiàn)場荷載布置進行取值。

3.3 網(wǎng)架鋼管的強度和長細比驗算

統(tǒng)計結(jié)果見表5和表6。驗算結(jié)果表明，整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中在強度驗算中，有684根鋼管的應(yīng)力比大于《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50144—2019）的規(guī)定要求，其中1單元有94根鋼管不滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比的范圍為1.05~3.475，2單元有225根鋼管不滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比的范圍為1.05~6.262，3單元有365根鋼管不滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比的范圍為1.05~1.983，并且應(yīng)力較大的鋼管主要集中在中間腹桿層。

表5 不滿足規(guī)范要求的應(yīng)力比統(tǒng)計

表6 長細比統(tǒng)計

整個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在長細比驗算中，3單元有4根鋼管的長細比大于《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7—2010）[9]的要求，剩余單元的鋼管均滿足要求。

4 安全性評估

經(jīng)現(xiàn)場檢查，各項異常的檢測結(jié)果如下。

（1）該廠房的鋼網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)的平面布置與結(jié)構(gòu)竣工圖紙一致，但是建設(shè)單位沒有按照規(guī)范合理布置設(shè)備，未將荷載懸掛在節(jié)點上，而是懸掛在了鋼管上。

（2）該廠房的結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重：2根腹桿焊縫斷裂；3根腹桿彎曲；構(gòu)件防腐涂層局部發(fā)生脫落、銹蝕；焊縫處普遍未焊滿、焊渣未清理、防腐涂層脫落、銹蝕；支座節(jié)點存在墊片翹曲、破損、支座與柱頂連接板脫開、螺母缺失的現(xiàn)象。

存在的安全性問題：①在施工過程中，施工單位沒有對鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量認(rèn)真負責(zé)，包含焊縫質(zhì)量較差導(dǎo)致鋼管與球節(jié)點連接不牢固，當(dāng)屋面板荷載較大時導(dǎo)致傳到鋼管的上荷載增加，焊縫由于非等強焊縫或焊縫未滿，鋼管與球節(jié)點易發(fā)生脫開的現(xiàn)象；網(wǎng)架支座在安裝過程中，高強螺栓未擰緊，墊片未刷防腐涂層，會導(dǎo)致網(wǎng)架支座墊片銹蝕、支座滑移等對結(jié)構(gòu)安全不利的結(jié)果，并增大了后期修復(fù)的難度。②在后期工廠的維護過程中，建設(shè)單位未對鋼屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)按時修復(fù)脫落的防腐涂層，會導(dǎo)致鋼管銹蝕，對結(jié)構(gòu)安全造成不利的結(jié)果。

（3）驗算結(jié)果表明：該屋蓋網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在最不利的工況下，共有684根鋼管的應(yīng)力比不滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比最大達到了6.262。雖然不滿足規(guī)范要求的鋼管僅占總鋼管的1.5%，但是當(dāng)不利工況發(fā)生時，中間腹桿層的鋼管容易發(fā)生材料強度破壞，致使局部屋蓋坍塌。設(shè)計單位應(yīng)盡可能考慮突發(fā)荷載等情況，才能保證網(wǎng)架整體的安全性。

網(wǎng)架整體的評價：雖然網(wǎng)架整體的撓度滿足規(guī)范要求，但發(fā)現(xiàn)個別鋼管發(fā)生了因承載力不足引起的變形及損傷的現(xiàn)象，并且鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量較差，鋼管驗算中存在d級構(gòu)件，故該廠房評為C級。但網(wǎng)架為高次超靜定結(jié)構(gòu)、整體穩(wěn)定性強、剛度高，個別鋼管損傷或承載力不足或失效為孤立事件，不會導(dǎo)致其他構(gòu)件失效且不直接影響設(shè)備運行，廠房網(wǎng)架無整體垮塌的風(fēng)險，但仍應(yīng)對檢測中發(fā)現(xiàn)的缺陷及損傷構(gòu)件及承載力不足的鋼管進行加固或修復(fù)處理。

5 結(jié)語

對鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架屋蓋的應(yīng)用提供的一些參考。

（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由于較平面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之工業(yè)建筑荷載由于設(shè)備移位、更新等原因，在荷載方面難以考慮全面，建議增大荷載余量。

（2）在施工建設(shè)過程中，鋼結(jié)構(gòu)的安裝較為較混凝土砌體結(jié)構(gòu)更為困難，建議加強鋼結(jié)構(gòu)連接的質(zhì)量把控，例如對焊縫進行探傷，對不合格的焊縫進行整改。

（3）在后期的維護使用上，建設(shè)單位應(yīng)盡量按照相應(yīng)要求對網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)進行防腐等使用階段的處理措施，不可以隨意拆除或加建夾層及設(shè)備，更不能將荷載布置在鋼管上。