姚志東，盧 煒

（1.中冶建筑研究總院（深圳）有限公司，廣東 深圳 518055；2.深圳市建筑幕墻智能檢測(cè)工程技術(shù)研究中心，廣東 深圳 518055）

0 引言

自改革開放以來，我國建筑和基礎(chǔ)設(shè)施工程快速發(fā)展，建造了大量的大跨度鋼結(jié)構(gòu)工程，其中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋頂占據(jù)多數(shù)，包括體育場(chǎng)館、展覽館、交通樞紐、大型倉儲(chǔ)等［1，2］。隨著城市發(fā)展進(jìn)入存量建筑時(shí)代，相當(dāng)數(shù)量的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)使用年限超過 20 年，如何準(zhǔn)確地評(píng)估其整體安全性能成為一個(gè)系統(tǒng)性的問題。

本文以投入使用超過 25 年的深圳某公共區(qū)域屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行多種參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)并獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行建模計(jì)算和評(píng)估分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的研究。該研究對(duì)類似既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的評(píng)估有積極的參考意義。

1 建筑物概況

該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所屬主體建筑位于深圳市某主題公園園區(qū)內(nèi)，主要功能為用于表演節(jié)目的中心劇場(chǎng)，屬于人流密集場(chǎng)所，設(shè)計(jì)于 1993 年，竣工于 1994 年并于當(dāng)年投入使用，是該園區(qū)內(nèi)的主要景點(diǎn)。

1.1 工程概況

該網(wǎng)架的結(jié)構(gòu)形式為正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架，結(jié)構(gòu)長 42 m，寬度為 36 m，網(wǎng)架高度由 1.6 m 變至 3.2 m，屋蓋水平投影面積約 1 210 m2，整體放置在劇場(chǎng)觀眾席所處的屋頂位置，其中網(wǎng)架的支座放置在主體結(jié)構(gòu)混凝土柱頂之上，整體造型由局部矩形和半圓形組成，對(duì)稱布置。

結(jié)構(gòu)整體示意如圖 1 所示。

圖1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1.2 診治目的

該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)過了超過 25 年的使用，結(jié)構(gòu)表面防火涂層退化嚴(yán)重，桿件出現(xiàn)了大面積的銹蝕現(xiàn)象，如圖 2 所示。本次診治的目的即是通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和評(píng)估分析，診斷該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)目前的安全性能，并為其后續(xù)的加固修復(fù)和安全使用提供可靠的技術(shù)依據(jù)。通過總結(jié)這一過程，即可形成安全診治關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全診治首先從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)開始，主要分為三部分，分別是復(fù)核檢測(cè)、探傷檢測(cè)和外觀缺陷檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的部分檢測(cè)內(nèi)容如圖 3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 復(fù)核檢測(cè)

復(fù)核檢測(cè)主要是選擇抽檢一定比例進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖紙的對(duì)比，包括兩大類，一是平面布局檢測(cè)，二是構(gòu)件尺寸檢測(cè)。

如果檢測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)圖紙相匹配，則視為滿足設(shè)計(jì)圖紙要求，反之則需總結(jié)不匹配數(shù)據(jù)，或者擴(kuò)大抽檢數(shù)量進(jìn)行驗(yàn)證。若檢測(cè)對(duì)象沒有設(shè)計(jì)圖紙，本類型檢測(cè)的主要目的就是通過檢測(cè)平面布局和構(gòu)件尺寸以便復(fù)原圖紙，以作為后續(xù)計(jì)算分析的依據(jù)，且抽檢比例要多于有設(shè)計(jì)圖紙的情況。

2.1.1 平面布局檢測(cè)

該部分檢測(cè)重點(diǎn)比對(duì)了結(jié)構(gòu)實(shí)際的平面布局和設(shè)計(jì)圖紙，包括軸網(wǎng)尺寸，上弦桿、腹桿和下弦桿的平面布置（見圖 4），以及結(jié)構(gòu)支座布置等。檢測(cè)結(jié)果表明，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的平面布局同設(shè)計(jì)圖紙是相符的。

2.1.2 構(gòu)件尺寸檢測(cè)

構(gòu)件尺寸檢測(cè)主要內(nèi)容包括桿件尺寸和螺栓球尺寸兩類。

1）桿件尺寸檢測(cè)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，桿件總數(shù) 2 751 根，采用 GB/T 50344－2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［3］中建筑結(jié)構(gòu)抽樣檢測(cè)的最小樣本容量，按照 B 類要求，總計(jì)抽檢了 125 根構(gòu)件。檢測(cè)的內(nèi)容主要是桿件的直徑和桿件壁厚，桿件直徑通過卡尺及游標(biāo)卡尺現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量，桿件壁厚通過對(duì)測(cè)點(diǎn)表面打磨露出金屬表面后采用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。

圖4 上弦桿、腹桿和下弦桿的平面布置

檢測(cè)結(jié)果表明，總計(jì)有 114 根桿件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果和設(shè)計(jì)圖紙要求基本一致，占抽檢總數(shù)的 91.2 %，測(cè)量偏差均在 0.5 mm 以內(nèi)。剩余 11 根構(gòu)件的測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)圖紙結(jié)果不一致，但呈現(xiàn)出統(tǒng)一的規(guī)律，即不一致構(gòu)件均為原設(shè)計(jì)尺寸為 Φ159×6.5 mm（直徑×壁厚）的桿件（見表 1）。

表1 桿件 Φ159×6.5 的尺寸抽檢測(cè)量結(jié)果 mm

根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)，表面原設(shè)計(jì)為 Φ159×6.5 mm 的桿件統(tǒng)一替換為 Φ140×8.8 mm（平均值）的桿件，在后續(xù)計(jì)算建模分析中，該類型桿件的尺寸以檢測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。檢測(cè)的內(nèi)容主要是桿件的直徑和桿件壁厚，桿件直徑通過游標(biāo)卡尺現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量，桿件壁厚通過對(duì)測(cè)點(diǎn)表面打磨露出金屬表面后采用超聲測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。

2）螺栓球尺寸檢測(cè)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，螺栓球總數(shù) 658 個(gè)，采用 GB/T 50344－2019《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中建筑結(jié)構(gòu)抽樣檢測(cè)的最小樣本容量，按照 B 類要求，總計(jì)抽檢了 80 個(gè)螺栓球。檢測(cè)的內(nèi)容主要是螺栓球的直徑，通過卡尺及游標(biāo)卡尺現(xiàn)場(chǎng)直接測(cè)量。

檢測(cè)結(jié)果表明，抽檢的螺栓球直徑和設(shè)計(jì)圖紙要求基本一致，測(cè)量偏差均在 2 mm 以內(nèi)。

2.2 探傷檢測(cè)

探傷檢測(cè)主要針對(duì)螺栓球連接狀況和桿件焊縫質(zhì)量，前者因?yàn)闂U件端部螺栓擰入螺栓球，無法直接進(jìn)行檢測(cè)，因此采用射線探傷的方法；后者通過超聲波探傷的方法進(jìn)行檢測(cè)。

2.2.1 射線探傷檢測(cè)螺栓球連接狀況

射線探傷的部分設(shè)備參數(shù)（見表 2）。

表2 設(shè)備參數(shù)

考慮到射線探傷具有一定的輻射，而劇場(chǎng)每天都有表演，從人員安全考慮，螺栓球射線探傷檢測(cè)數(shù)量確定為 15 個(gè)，檢測(cè)的內(nèi)容為螺栓直徑（D）、螺紋長度（L）及球外螺紋長度（L1），計(jì)算得到螺栓擰入球深度（ΔL=L-L1）。根據(jù) GB 50205－2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》［4］要求，螺栓球連接狀況的要求是螺栓擰入球深度與螺栓直徑之比大于等于 1，即：ΔL/D≥1。

圖 5 所示為檢測(cè)的 15 個(gè)螺栓球ΔL/D計(jì)算分布，可以看出，所檢測(cè)的螺栓擰入球深度與螺栓直徑之比均大于或等于 1，表明檢測(cè)結(jié)果符合規(guī)范要求。

圖5 螺栓擰入球深度與螺栓直徑之比計(jì)算分布

2.2.2 超聲波探傷檢測(cè)桿件焊縫質(zhì)量

超聲波探傷是利用超聲能透入桿件焊縫的深處，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢測(cè)焊縫缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自焊縫表面由探頭通至焊縫內(nèi)部，遇到缺陷時(shí)就發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，共抽檢了 24 條焊縫進(jìn)行超聲波探傷，均未發(fā)現(xiàn)缺陷情況，表明所抽檢的焊縫質(zhì)量全部合格。

2.3 外觀缺陷檢測(cè)

鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過長時(shí)間使用，最常見的缺陷破損問題就是銹蝕。對(duì)該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行外觀缺陷檢測(cè)，首先就是發(fā)現(xiàn)部分網(wǎng)架桿件、螺栓球、支座、屋面頂板及檁條存在掉漆、銹蝕現(xiàn)象，且鋼結(jié)構(gòu)表面防火涂層基本失效。此外，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)網(wǎng)架部分支座螺栓墊板存在松動(dòng)現(xiàn)象，部分支座與主體結(jié)構(gòu)連接部位存在偏心現(xiàn)象。

3 安全評(píng)估

安全評(píng)估分兩個(gè)步驟，首先是建模計(jì)算，主要是分析是否有超應(yīng)力桿件；其次是整體評(píng)估診斷，結(jié)合檢測(cè)結(jié)論和計(jì)算分析結(jié)果，綜合評(píng)估該網(wǎng)架的安全性能。

3.1 建模計(jì)算分析

建模的主要依據(jù)是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)（主要是平面布置和桿件尺寸）和設(shè)計(jì)圖紙資料，通過專業(yè)計(jì)算軟件建模計(jì)算，得到該網(wǎng)架的計(jì)算結(jié)果，如圖 6 所示。

圖6 網(wǎng)架計(jì)算結(jié)果

進(jìn)一步分析網(wǎng)架桿件承載力計(jì)算結(jié)果可知，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)總計(jì)有 12 根最大應(yīng)力超出規(guī)范要求的允許應(yīng)力，占桿件總數(shù)的 0.44 %（見表 3）。其他計(jì)算結(jié)果比如長細(xì)比等參數(shù)基本滿足規(guī)范要求。

3.2 整體評(píng)估診斷

結(jié)合檢測(cè)結(jié)論和計(jì)算分析結(jié)果，該網(wǎng)架目前存在的安全問題如下。

1）桿件尺寸類型原設(shè)計(jì)為 Φ159×6.5 mm 的桿件，其抽檢的桿件尺寸均與原設(shè)計(jì)尺寸不符，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，該類型桿件統(tǒng)一被替換為 Φ140×8.8 mm（平均值）。

2）結(jié)構(gòu)外觀破損檢測(cè)結(jié)果表明，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分網(wǎng)架桿件、螺栓球、支座、屋面頂板及檁條有掉漆、銹蝕現(xiàn)象，網(wǎng)架部分支座螺栓墊板存在松動(dòng)現(xiàn)象，部分支座與主體結(jié)構(gòu)連接部位存在偏心現(xiàn)象。

表3 網(wǎng)架超應(yīng)力桿件承載力驗(yàn)算結(jié)果

3）網(wǎng)架桿件承載力計(jì)算結(jié)果表明，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)桿件共有 12 根最大應(yīng)力超出規(guī)范要求的允許應(yīng)力，占桿件總數(shù)的 0.44 %，超應(yīng)力桿件的數(shù)量占比較少。

綜合考慮以上因素，盡管存在部分安全問題，但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)整體狀況尚可，依據(jù) GB 50292－2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［5］對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的規(guī)定，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全性等級(jí)可以評(píng)定為 Bsu級(jí)，即結(jié)構(gòu)安全性尚未受到顯著影響，可以繼續(xù)安全使用，但存在的安全問題必須進(jìn)行加固及修復(fù)處理。

4 加固修復(fù)

4.1 處理建議

針對(duì)前述評(píng)估診斷的結(jié)論，可以給出相應(yīng)的處理建議，包括：

1）對(duì)該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)部分桿件、螺栓球、支座、屋面頂板及檁條出現(xiàn)的銹蝕損傷，應(yīng)對(duì)銹損桿件除銹后采取加固處理；

2）對(duì)該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座處出現(xiàn)松動(dòng)的螺栓墊板建議采取對(duì)應(yīng)的處理措施，比如擰緊螺栓或更換；對(duì)該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座與主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏心的現(xiàn)象，建議加強(qiáng)該處支座與主體混凝土結(jié)構(gòu)的連接；

3）對(duì)該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力超出規(guī)范限值的桿件及長細(xì)比超出規(guī)范限值的桿件采取相應(yīng)的加固處理措施。

除桿件加固外，加固修復(fù)的方案均可按照上述處理措施進(jìn)行。

4.2 桿件加固

通過總結(jié) 12 根超應(yīng)力桿件的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超應(yīng)力情況都出現(xiàn)在規(guī)格為 Φ48×3.5 mm 的桿件上，是該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用的桿件類型中截面最小的，因此桿件截面偏小是出現(xiàn)超應(yīng)力的主要原因，故而加固方案就是要增大這些超應(yīng)力桿件的截面。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于空間結(jié)構(gòu)，如果采用更換桿件的方式，在施工過程中拆除超應(yīng)力桿件時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力重分布的情況，從而有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，且現(xiàn)場(chǎng)施工難度很大，因此本文所提的加固方案采用在原有桿件的基礎(chǔ)上對(duì)稱焊接角鋼的方式，以達(dá)到增大這些超應(yīng)力桿件截面積的目的。代入模型試算時(shí)，將加固角鋼和被加固桿件進(jìn)行等截面換算，以換算后的桿件截面代入計(jì)算模型，經(jīng)過試算，最終確定角鋼的規(guī)格為 L30×3 mm。

經(jīng)過驗(yàn)算，原有超應(yīng)力桿件中僅 1 根桿件加固后應(yīng)力略超允許應(yīng)力，但未超過 5 %，可以視為基本滿足要求，其余桿件均滿足安全要求，且考慮加固后的計(jì)算結(jié)果中，其余桿件并未出現(xiàn)超應(yīng)力情況。超應(yīng)力桿件加固后的承載力驗(yàn)算結(jié)果如表 4 所示，加固方案如圖 7 所示。

表4 網(wǎng)架超應(yīng)力桿件承載力驗(yàn)算結(jié)果

圖7 加固方案（單位：mm）

5 結(jié)語

根據(jù)上述內(nèi)容，可以總結(jié)出一套針對(duì)既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全診治的關(guān)鍵技術(shù)：

1）有效合理而且有針對(duì)性的檢測(cè)是安全診治的基礎(chǔ)，可以讓我們獲得結(jié)構(gòu)目前的安全狀況；

2）精確的建模計(jì)算可以得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，為結(jié)構(gòu)安全評(píng)估給出最重要的依據(jù)；

3）合理有效的加固處理方案，有助于安全診治關(guān)鍵技術(shù)的閉合，從而達(dá)到讓既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)繼續(xù)安全使用的目的。

盡管該關(guān)鍵技術(shù)在本文所舉例的這一網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上得到了相對(duì)有效的應(yīng)用，但針對(duì)更大范圍的應(yīng)用尚存在許多不足之處，具體如下：

1）本文選擇應(yīng)用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)投影面積 1 210 m2，屬于中等規(guī)模的網(wǎng)架，類似體育場(chǎng)館、會(huì)展中心等大型或超大型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中還需驗(yàn)證；

2）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，還有需要增加考慮的檢測(cè)內(nèi)容，比如針對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)性能的檢測(cè)，針對(duì)長期性能的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)［6］、針對(duì)網(wǎng)架附屬金屬圍護(hù)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)等；

3）根據(jù)網(wǎng)架所處地域的不同，應(yīng)增加專門的評(píng)估內(nèi)容，以本文所舉例的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屬于沿海地區(qū)，就應(yīng)該增加風(fēng)致響應(yīng)研究［7］和抗風(fēng)性能評(píng)估和耐久性能專項(xiàng)評(píng)估的內(nèi)容。

盡管有上述不足，針對(duì)既有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安全診治關(guān)鍵技術(shù)仍然值得推廣應(yīng)用：

1）從社會(huì)影響上，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用在公共建筑中，面臨的是社會(huì)公共安全；

2）從技術(shù)上，現(xiàn)有的檢測(cè)及評(píng)估技術(shù)已經(jīng)可以滿足進(jìn)行有效安全診治的需求；

3）最重要一點(diǎn)，當(dāng)城市進(jìn)入存量建筑時(shí)代后，建筑物的運(yùn)維和診治成為最主要的需求，會(huì)倒逼包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等既有建筑進(jìn)行有針對(duì)性的安全診治［8］。Q