某生態(tài)動物園鋼結(jié)構(gòu)改造可行性鑒定與加固

李 剛,易 鑫,單曉菲,劉 敏

(1.湖南華城檢測技術(shù)有限公司,湖南 長沙 410017； 2.湖南中騰土木工程技術(shù)有限公司,湖南 長沙 410017； 3.湖南中力結(jié)構(gòu)設(shè)計事務(wù)所有限公司,湖南 長沙 410017； 4.岳陽市規(guī)劃勘測設(shè)計院有限公司，湖南 岳陽 414000)

1 工程概況

某生態(tài)動物園鳥園地面鋼結(jié)構(gòu)工程由大小兩個鳥園組成，覆蓋面積大鳥園為7 752.8 m2，小鳥園為4 398.7 m2，圍墻總長度為526.95 m。由于年代久遠(yuǎn)，擬對該工程上部主體部分的天網(wǎng)、立網(wǎng)、下部圍網(wǎng)及其附件全部拆除并更換成新的不銹鋼鳥網(wǎng)和圍網(wǎng)。

2 現(xiàn)場檢測

現(xiàn)場對鳥網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行常規(guī)檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 常規(guī)檢測項目及檢測結(jié)論

3 改造方案

3.1 改造設(shè)計思路

1)拆除原天網(wǎng)和立網(wǎng)及其升降裝置吊框拉索、原有主拉索及升降裝置上的次拉索、邊柱上的工作拉索。

2)更換主拉索：安裝直徑φ19 mm-7×19的304不銹鋼鋼絲繩。

3)在前主拉索上新安裝φ8 mm-7×19的304不銹鋼鋼絲繩環(huán)形拉索。

4)新安裝不銹鋼網(wǎng)及其綁扎固定：采用304φ1.0-25 mm×25 mm網(wǎng)孔六邊型不銹鋼鋼絲網(wǎng)。

5)鋼件表面防銹處理。

3.2 材料情況

1)不銹鋼網(wǎng)采用304φ1.0-25 mm×25 mm網(wǎng)孔六邊型鋼絲網(wǎng)。

2)鋼索采用鋼絲繩：主拉索為φ19-7×19；所有環(huán)拉索鋼絲繩為φ8-7×19，上述鋼絲繩的鋼絲抗拉強(qiáng)度不小于1.40 kN/mm2，所有鋼線卡子、套環(huán)等構(gòu)配件均需與鋼絲繩匹配，繩卡采用熱鍍鋅。

3.3 改造施工思路

1)改造前準(zhǔn)備工作：a.全部索具試裝配；b.成片編織加工制作不銹鋼鋼絲網(wǎng)片，合理安排在高空的操作時間和工序。

2)邊柱微調(diào)及連接拉索：借助輔助拉索固定邊柱，使其柱頂水平偏移不大于0.3%，將主拉索對稱地與邊柱連接，避免在安裝過程中中柱受力不均，所有拉索安裝完畢后，進(jìn)行拉索調(diào)整，施工時采用調(diào)整其水平拉力的方法，視中柱與邊柱的偏移情況進(jìn)行微調(diào)整，調(diào)整過程應(yīng)反復(fù)多次，時間不少于3 d，調(diào)整結(jié)束后，所有柱偏移須滿足GB 50205—2020鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)第10.3.4條不超過H/1 000和25 mm要求。

3)安裝環(huán)向拉索和不銹鋼網(wǎng)：安裝環(huán)向拉索后基本不改變徑向拉索的原形狀，安裝不銹鋼網(wǎng)過程中隨時檢查各柱頂?shù)乃轿灰浦担缥灰瓢l(fā)展過快，應(yīng)停止安裝，查明情況并處理后再進(jìn)行施工。

4)安裝全部完成后，應(yīng)重新檢查各柱頂?shù)乃轿灰浦担晫嶋H情況進(jìn)行調(diào)整，以備查考，微調(diào)結(jié)束后，封住各柱柱腳。

5)新不銹鋼網(wǎng)安裝完成后，進(jìn)行腳手架拆除作業(yè)。

4 承載力計算復(fù)核

4.1 計算模型

采用Hpermesh有限元軟件[6]對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，采用ABAQUS/Standard6.4[7]通用有限元軟件進(jìn)行精細(xì)化計算分析，整體有限元模型如圖1所示。其中，鋼柱和鋼索采用B31梁單元，鋼絲網(wǎng)片采用S4R減縮積分殼單元，結(jié)構(gòu)化劃分模型網(wǎng)格。

由于現(xiàn)場實際為帶孔洞的鋼絲網(wǎng)，采用殼單元模擬網(wǎng)片。根據(jù)網(wǎng)孔尺寸25 mm×25 mm進(jìn)行面積換算。具體如下：單位面積Au內(nèi)，網(wǎng)片體積Vu=Ac×25×2=39.25 mm3，等效為相同面積的鋼片，其厚度為t=Vu/Au=0.063 mm，鋼絲網(wǎng)等效方案如圖2所示。

4.2 邊界荷載條件及荷載組合

1)邊界條件。

結(jié)構(gòu)邊界條件約束立柱和主拉索的地面節(jié)點(diǎn)的6個自由度，如圖1所示。

2)荷載條件。

結(jié)構(gòu)荷載條件包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載和雪荷載，考慮工況一偏載和工況二滿載兩種不同工況。自重通過軟件施加全局加速度；風(fēng)荷載取網(wǎng)架所在地區(qū)基本風(fēng)壓：0.35 kN/m2，按50年重現(xiàn)期取值，B類場地。結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值按照公式計算，不考慮陣風(fēng)系數(shù)[8]。

wk=βzμsμzω0

(1)

其中，βz為風(fēng)振系數(shù)，取1；μs為體形系數(shù)，根據(jù)模型情況，偏保守取為0.6；μz為高度系數(shù)，取為30 m處值0.88。風(fēng)荷載均根據(jù)截面投影寬度換算至主拉索和立柱上。施加采用線荷載，如圖3～圖8所示。

考慮鋼絲網(wǎng)上孔洞，按照孔洞率折算，折減系數(shù)取為0.1，鋼絲網(wǎng)上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：0.018 5 MPa。

中間立柱風(fēng)荷載換算為：0.12 N/mm；

外側(cè)立柱風(fēng)荷載換算為：0.06 N/mm。

結(jié)構(gòu)雪荷載按照網(wǎng)架所在地區(qū)50 a重現(xiàn)期雪壓進(jìn)行計算。基本雪壓為0.45 kN/m2，計算公式按照：

Sk=μrs0

(2)

其中，積雪分布系數(shù)根據(jù)網(wǎng)面夾角取為平均值0.55，可計算雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為0.000 25 MPa。

3)荷載組合。

為校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，考察承載能力極限狀態(tài)下的基本組合，雪荷載組合系數(shù)為0.7。荷載組合后最大如式(3)所示：

S=1.2恒載+1.4×風(fēng)荷載+1.4×雪荷載×0.7

(3)

4)本構(gòu)關(guān)系。

鋼材采用彈塑性(硬化)本構(gòu)模型[9]，Mises屈服準(zhǔn)則，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達(dá)式如下：

(4)

其中，σi為鋼材的等效應(yīng)力；fs為鋼材的屈服強(qiáng)度；fu為鋼材的極限強(qiáng)度，取fu=1.5fs；Es為鋼材彈性模量，取Es=2.06×105MPa；Est為強(qiáng)化模量，Est=ζEs；εi為鋼材的等效應(yīng)變；εy為鋼材屈服時的應(yīng)變；εst為鋼材強(qiáng)化時的應(yīng)變；εu為鋼材達(dá)極限強(qiáng)度時的應(yīng)變，εu=εst+0.5fs/(ζEs)，取εst=12εy，εu=120εy，ζ=1/216。

4.3 計算復(fù)核結(jié)果

1)在給定預(yù)拉力30 kN時，在偏載工況下，各構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果如表2所示，應(yīng)力云圖如圖9～圖13所示。

表2 偏載工況下應(yīng)力計算結(jié)果

2)偏載工況下結(jié)構(gòu)最大變形為1 046 mm，整體變形云圖如圖14所示。

3)在給定預(yù)拉力30 kN時，在滿載工況下，各構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示，應(yīng)力云圖如圖15～圖19所示。

表3 滿載工況下應(yīng)力計算結(jié)果

4)滿載工況下結(jié)構(gòu)最大變形為1 875 mm，整體變形云圖如圖20所示。

5 改造可行性鑒定結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實際檢測情況，結(jié)合有限元計算分析可知：

1)在偏載工況分析下，鋼立柱、鋼拉索和鋼網(wǎng)面局部最大應(yīng)力均達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，出現(xiàn)局部塑性變形，局部最大變形為1 046 mm。

2)在滿載工況分析下，該工程改造后拉索和鋼柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足承載力要求，主拉索需要施加500 MPa以上的預(yù)拉應(yīng)力。在加載側(cè)向荷載后，主索和環(huán)向索的應(yīng)力超過1 200 MPa，局部應(yīng)力接近1 400 MPa，等效鋼網(wǎng)面最大應(yīng)力達(dá)到304不銹鋼屈服強(qiáng)度，局部會出現(xiàn)塑性變形，局部最大變形為1 875 mm。

該改造方案基本可行，承載力基本滿足要求，但個別構(gòu)件局部最大應(yīng)力接近或者剛好達(dá)到材料屈服強(qiáng)度值，存在局部塑性變形，整體變形偏大。應(yīng)適當(dāng)提高拉索和鋼網(wǎng)的設(shè)計尺寸，確保結(jié)構(gòu)有更多的安全富余量。

6 加固設(shè)計

該工程大鳥園中間AZZ柱高25 m，所測垂直度最大偏差為230 mm，接近規(guī)范允許值240 mm。為減小AZZ柱變形，綜合實際情況和委托方的要求，排除現(xiàn)場調(diào)直、置換構(gòu)件等方案，決定本著加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性、提高結(jié)構(gòu)綜合承載能力和經(jīng)濟(jì)合理的原則對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

在AZZ柱8 m位置，增加3個203 mm×6 mm鋼支撐，新加鋼支撐如圖21所示。

鋼支撐根部新增C30混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)置于原壓實土層上，地基承載力特征值fak不小于100 kPa。新加混凝土基礎(chǔ)如圖22所示。

AZZ柱新加鋼支撐后，長細(xì)比得到有效控制，現(xiàn)場加固施工后表明效果良好。

7 結(jié)論

1)現(xiàn)場對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了外觀質(zhì)量檢查、荷載調(diào)查、結(jié)構(gòu)布置核查、鋼構(gòu)件截面尺寸檢測、鋼材硬度檢測、防腐涂層厚度檢測、垂直度檢測等多個項目的檢測，結(jié)果表明部分指標(biāo)不符合原設(shè)計及驗收規(guī)范要求。

2)采用Hpermesh有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，采用ABAQUS/Standard6.7大型通用有限元軟件考慮偏載和滿載兩個不同工況下的精細(xì)化承載力計算分析，結(jié)果表明該改造方案基本可行，但個別構(gòu)件局部最大應(yīng)力接近或者達(dá)到材料屈服強(qiáng)度值，存在局部塑性變形。整體變形偏大，應(yīng)適當(dāng)提高拉索和鋼網(wǎng)的設(shè)計尺寸，確保結(jié)構(gòu)有更多的安全富余量。

3)新增加鋼支撐后，大鳥園AZZ柱變形得到有效控制，提高了安全系數(shù)。

4)本文的研究成果可為類似工程提供參考。