陳小杰 Chen Xiaojie 張方超 Zhang Fangchao 姚曉璐 Yao Xiaolu

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)文化的需求越來(lái)越高，對(duì)大劇院的空間要求也越來(lái)越高。尤其是舞臺(tái)部分，由于布景的需要，空間布局復(fù)雜，且要考慮幕布、燈光的需要，一般都通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)是保證結(jié)構(gòu)安全的重要部分，一般通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接或者焊縫連接，由于這部分均是在現(xiàn)場(chǎng)施工，若是管理不到位、施工質(zhì)量不合格，會(huì)存在嚴(yán)重的安全隱患。本文將以某大劇院為例，對(duì)其鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)鑒定，分析其連接節(jié)點(diǎn)螺栓斷裂原因，并提出處理建議，為類似工程提供參考。

1 工程概況

某大劇院建于2010年，大劇院鋼結(jié)構(gòu)部分共包括舞臺(tái)區(qū)域屋面網(wǎng)架、桁架以及觀眾廳屋面網(wǎng)架。其中，舞臺(tái)屋面網(wǎng)架及桁架部分主要包括屋面網(wǎng)架、25～17.52m標(biāo)高柵頂桁架、18.5m標(biāo)高天橋、15m標(biāo)高天橋和15m標(biāo)高鋼制碼頭；觀眾廳屋面網(wǎng)架部分主要包括18.25m標(biāo)高轉(zhuǎn)換層鋼結(jié)構(gòu)、17.3m標(biāo)高臺(tái)口單點(diǎn)吊鋼平臺(tái)、15.9m標(biāo)高一道面光橋、15.6m標(biāo)高二道面光橋、15.6m標(biāo)高吊裝支架梁平臺(tái)和11.6m標(biāo)高音響馬道。

物業(yè)管理人員于2015年12月1日檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，劇院舞臺(tái)有螺桿掉落。2016年3月2日，施工單位派人檢修，共更換了19顆螺栓。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

根據(jù)委托方要求，由我站檢測(cè)鑒定人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘。劇院舞臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架平面尺寸2.4m×3.2m、高2.5m，支撐在周邊混凝土上，支座布置于網(wǎng)架上弦，屋面采用檁條起坡，采用壓型鋼板混凝土屋面；觀眾廳屋面網(wǎng)架平面尺寸3.3m×3.2m、高3.6m，支撐在周邊混凝土上，支座布置于網(wǎng)架上弦，屋面采用檁條起坡，采用壓型鋼板混凝土屋面（圖1、2）。兩處網(wǎng)架鋼管均為Q345B無(wú)縫管；焊接鋼板球、支座連接板、預(yù)埋鋼板均采用Q345B；螺栓球?yàn)?5號(hào)鋼；緊固件螺栓采用Q235B，支座采用固定球鉸支座。構(gòu)件主材的工廠拼接及工地拼接焊縫均為一級(jí)焊縫，其余的對(duì)接焊縫按二級(jí)焊縫，角焊縫和非熔透焊縫按三級(jí)焊縫。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用拋丸除銹處理，除銹等級(jí)應(yīng)達(dá)到 Sa2.5 級(jí)和 St3 級(jí)。

圖1 舞臺(tái)桁架布置情況

3 檢測(cè)鑒定

根據(jù)房屋質(zhì)量檢測(cè)的相關(guān)規(guī)定，針對(duì)房屋的特點(diǎn)和實(shí)際狀況，制定檢測(cè)鑒定方案。因本次檢測(cè)不同于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)、磚砌體房屋整體檢測(cè)，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架及桁架材料性能、施工工藝、防火防腐等級(jí)，本次檢測(cè)內(nèi)容除進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)圖紙復(fù)核測(cè)繪、房屋完損檢測(cè)、房屋變形測(cè)量、材料強(qiáng)度檢測(cè)等常規(guī)檢測(cè)類型外，還應(yīng)進(jìn)行焊縫探傷、鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料涂裝檢測(cè)、螺栓連接質(zhì)量檢測(cè)（螺桿化學(xué)元素分析、構(gòu)件垂直度、支座沉降差異檢測(cè)）等檢測(cè)內(nèi)容，再結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件3D3S對(duì)該結(jié)構(gòu)的復(fù)核計(jì)算，進(jìn)行安全性分析，給出檢測(cè)結(jié)論及建議。

3.1 焊縫探傷檢測(cè)

在鋼結(jié)構(gòu)工程中，焊接技術(shù)是不可缺少的加工工藝之一，同時(shí)也是保持其強(qiáng)度和保證使用壽命的重要手段。因此，鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的安全性[1]。

對(duì)舞臺(tái)區(qū)域桁架平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的全熔透焊縫，分別抽取了6榀桁架上弦桿的24條對(duì)接焊縫、2榀桁架弦桿支座的8條熔透焊縫，以及9根鋼梁與弦桿的對(duì)接焊縫（9條）；對(duì)觀眾廳區(qū)域屋面網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的焊接球焊縫，分別抽取了4個(gè)支座節(jié)點(diǎn)焊接球的弦桿和腹桿對(duì)接焊縫，4個(gè)下弦節(jié)點(diǎn)焊接球的弦桿和腹桿對(duì)接焊縫。超聲探傷基本參數(shù)如表1、2所示。

結(jié)果表明，舞臺(tái)桁架平臺(tái)共檢測(cè)了45條焊縫，發(fā)現(xiàn)10處焊縫存在超標(biāo)缺陷，焊縫檢測(cè)結(jié)果不合格；觀眾廳屋面網(wǎng)架焊接球共檢測(cè)了60條焊縫，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，焊縫檢測(cè)結(jié)果合格。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)涂裝檢測(cè)

由于鋼結(jié)構(gòu)工程具有防火性差、鋼材易于銹蝕等缺點(diǎn)，為了提高其耐火等級(jí)和耐腐蝕性，通常都采用在鋼材表面涂刷防火涂料和防腐涂料的方法。但由于施工工藝、環(huán)境腐蝕等因素，導(dǎo)致涂層厚度不滿足設(shè)計(jì)要求或涂層材料失去原有性能，進(jìn)而部分或全部失去對(duì)金屬材料的保護(hù)作用。因此，定期開展鋼材的涂層檢測(cè)，對(duì)維持鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用和降低因金屬腐蝕導(dǎo)致的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

表1 舞臺(tái)桁架平臺(tái)構(gòu)件焊縫檢測(cè)參數(shù)

表2 觀眾廳屋面網(wǎng)架焊縫檢測(cè)參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)采用eXactoFN涂層測(cè)厚儀，參照《鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50621—2010）對(duì)觀眾廳屋面鋼結(jié)構(gòu)及舞臺(tái)區(qū)域鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件涂層厚度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的26個(gè)構(gòu)件中，共有9個(gè)構(gòu)件的表面涂層厚度不符合設(shè)計(jì)要求。

3.3 螺桿連接質(zhì)量檢測(cè)

因物業(yè)管理人員于2015年12月檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)劇院舞臺(tái)有螺母掉落，后經(jīng)施工單位派人檢修更換了19顆螺栓（圖 3）。

3.3.1 螺桿化學(xué)元素分析

對(duì)舞臺(tái)桁架連接螺栓進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，從舞臺(tái)6榀桁架共取樣9個(gè)螺栓，其中，6個(gè)螺栓為原有的，3個(gè)是新近更換。現(xiàn)場(chǎng)取樣的螺栓中，取一個(gè)原有螺栓進(jìn)行全元素化學(xué)分析，再取3個(gè)原有螺栓及3個(gè)新螺栓進(jìn)行C、Si、Mn、Ti、B等5種元素的含量分析。

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告，螺栓全元素分析中定性的元素為：Fe、Mn、Si、C、Cu、Cr、Ti、Ni、Al、P、S、Co、Mo。

展現(xiàn)分享：鼓勵(lì)學(xué)生主動(dòng)介紹課前預(yù)習(xí)的相關(guān)成果，進(jìn)行課題演示、分享個(gè)人觀點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)。教師在這個(gè)過(guò)程中重點(diǎn)聽取和記錄學(xué)生在預(yù)習(xí)中理解不透的知識(shí)點(diǎn)和疑問(wèn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》（GB1231—2006）、《合金結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T3077—1999），舞臺(tái)桁架高強(qiáng)螺栓采用10.9s，螺栓直徑為20mm，材料為20MnTiB，螺栓的元素含量分析結(jié)果見(jiàn)表3。檢測(cè)結(jié)果表明，舞臺(tái)桁架原有螺栓及新近更換的螺栓化學(xué)元素成分含量均滿足規(guī)范要求。

3.3.2 螺栓連接質(zhì)量檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓軸力扭矩復(fù)合測(cè)試儀對(duì)舞臺(tái)桁架連接的高強(qiáng)螺栓連接狀況進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)部分螺栓進(jìn)行取樣，并替換新的螺栓。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，原有螺栓扭矩及預(yù)拉力基本符合規(guī)范要求，部分螺栓存在預(yù)拉力過(guò)大現(xiàn)象，部分螺栓螺桿有變形，無(wú)法將螺栓取出。

3.3.3 螺栓硬度檢測(cè)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣的3個(gè)原有螺栓進(jìn)行芯部硬度試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。結(jié)果顯示，高強(qiáng)螺栓10.9S芯部洛氏硬度最小值為33HRC、最大值為39HRC，原有螺栓硬度平均值為37.3～38.0HRC，均符合高強(qiáng)螺栓10.9S的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 舞臺(tái)桁架部分螺栓更換

表3 螺桿化學(xué)元素含量檢測(cè)結(jié)果（化學(xué)成分/%）

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003），對(duì)舞臺(tái)區(qū)域桁架平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、舞臺(tái)區(qū)域屋面網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)、觀眾廳區(qū)域屋面網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件承載力與變形進(jìn)行驗(yàn)算?，F(xiàn)對(duì)觀眾廳屋面鋼網(wǎng)架計(jì)算進(jìn)行介紹。

根據(jù)委托方提供的設(shè)計(jì)資料，觀眾廳屋面網(wǎng)架由上弦桿、腹桿、下弦桿、轉(zhuǎn)換層和設(shè)備平臺(tái)組成。采用3d3sV10.0計(jì)算軟件建立計(jì)算模型，進(jìn)行承載力驗(yàn)算。觀眾廳屋面網(wǎng)架各構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M，材料特性均采用Q345B鋼材，網(wǎng)架支座均采用鉸支座，平面布置及計(jì)算模型如圖4、5所示（由于部分桿件尺寸與設(shè)計(jì)不符，計(jì)算模型中桿件按照實(shí)測(cè)桿件尺寸進(jìn)行計(jì)算，且計(jì)算中不考慮部分支座傾斜偏差等損壞）。

計(jì)算結(jié)果表明，觀眾廳屋面網(wǎng)架各構(gòu)件的最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.74，最大穩(wěn)定應(yīng)力比為0.83，均滿足規(guī)范要求。

5 鋼結(jié)構(gòu)安全性分析

在不考慮構(gòu)件變形、焊縫缺陷及螺栓等質(zhì)量缺陷的情況下，根據(jù)實(shí)測(cè)構(gòu)件截面尺寸，舞臺(tái)桁架平臺(tái)、舞臺(tái)及觀眾廳屋面網(wǎng)架各構(gòu)件的最大強(qiáng)度應(yīng)力比和最大穩(wěn)定應(yīng)力比均滿足規(guī)范要求。

（1）目前，網(wǎng)架存在的損壞現(xiàn)象不影響網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)安全，但需要對(duì)彎曲變形的下弦桿進(jìn)行更換，對(duì)支座傾斜移位、連接鋼條斷開（圖6）及外觀損壞的，需盡快對(duì)癥處理。

表4 螺桿硬度檢測(cè)結(jié)果

圖4 觀眾廳屋面網(wǎng)架平臺(tái)布置圖(圓表示支座)

圖5 計(jì)算簡(jiǎn)圖(數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號(hào))

（2）舞臺(tái)桁架螺栓連接及焊縫連接均為桁架節(jié)點(diǎn)連接部位，桁架本身存在明顯的側(cè)向彎曲及傾斜變形，對(duì)桁架的安全性有影響，存在一定的安全隱患，但未發(fā)現(xiàn)有明顯的危險(xiǎn)跡象，需要對(duì)螺栓及焊縫、桁架側(cè)向彎曲變形等損壞現(xiàn)象盡快對(duì)癥處理。

圖6 屋面網(wǎng)架支座傾斜移位，連接鋼條斷開

6 結(jié)語(yǔ)

鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)因其具有安全儲(chǔ)備高、整體性和穩(wěn)定性好、便于成批生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度體育館、展覽館、大會(huì)堂、影劇院、車站、飛機(jī)庫(kù)、廠房、倉(cāng)庫(kù)等建筑中廣泛應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點(diǎn)的尺寸偏差會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成初始應(yīng)力，因此，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的可靠連接是結(jié)構(gòu)安全的重要保證。本案例所介紹的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的檢測(cè)重點(diǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算、安全性評(píng)估等內(nèi)容，對(duì)于類似工程檢測(cè)項(xiàng)目具有參考和借鑒意義。