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(yè)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)
某辦公樓建筑為地下4層、地上18層框架核心筒結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)總高度為79m,出屋面幕墻高度為11.4m,出屋面幕墻支撐結(jié)構(gòu)采用鋼桁架體系?,F(xiàn)業(yè)主發(fā)現(xiàn)鋼桁架多處柱腳出現(xiàn)嚴重開裂,構(gòu)件損傷程度已影響結(jié)構(gòu)整體安全。由于鋼桁架結(jié)構(gòu)位于屋頂,相對地面高度達90m,一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)失效,幕墻會從高空墜落,不僅會造成經(jīng)濟損失,甚至可能造成人員傷亡,產(chǎn)生惡劣的社會影響。因此,需立即對鋼桁架結(jié)構(gòu)安全進行評估,找出結(jié)構(gòu)損傷原因,并給出相應處理建議。
根據(jù)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(jié)構(gòu)檢測與結(jié)構(gòu)承載力驗算相結(jié)合的方法進行結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)檢測是獲取結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的重要手段,將檢測得到的信息應用于結(jié)構(gòu)承載力驗算中,可定量判斷結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力是否滿足要求;將上述工作成果匯總,做出結(jié)構(gòu)安全綜合評價,進而找出結(jié)構(gòu)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
應急檢查定性評估的目的是在最短的時間內(nèi)對結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)做出判定,根據(jù)初步評估結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系及損傷檢查、危險點及程度判定,結(jié)合檢查結(jié)果,通過工程經(jīng)驗進行結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評估,判斷當前結(jié)構(gòu)倒塌風險。
1)結(jié)構(gòu)體系檢查 結(jié)合結(jié)構(gòu)設計圖進行現(xiàn)場結(jié)構(gòu)體系檢查,結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)受力、傳力體系合理,現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),并間隔設置5處柱間支撐。
圖2 鋼桁架結(jié)構(gòu)布置平面
圖3 單榀桁架立面
2)損傷檢查 結(jié)構(gòu)損傷檢查應明確構(gòu)件損傷類型、損傷程度、損傷數(shù)量,結(jié)構(gòu)典型損傷如圖4所示。檢查結(jié)果表明,本工程主要存在以下問題:①6處鋼桁架柱腳出現(xiàn)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(xiàn)不同程度的銹蝕;③鋼桁架柱頂封板設置成內(nèi)凹型,所有封板均出現(xiàn)嚴重銹蝕,多處出現(xiàn)穿孔情況,從而導致立柱內(nèi)部出現(xiàn)不同程度的積水;④少量桿件節(jié)點連接處焊縫開裂,局部范圍出現(xiàn)點銹。
圖4 結(jié)構(gòu)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(gòu)件變形檢測,判斷結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)了超出正常使用極限狀態(tài)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(jié)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。
對發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)受力不產(chǎn)生影響,不直接影響桁架整體結(jié)構(gòu)安全。
2)封板不嚴(原結(jié)構(gòu)施工階段的質(zhì)量瑕疵) 封板屬于非受力構(gòu)件,其作用僅為端部防雨蓋板。
3)焊縫缺陷及銹蝕(原結(jié)構(gòu)施工階段的質(zhì)量瑕疵) 該缺陷數(shù)量較少,對整體結(jié)構(gòu)的影響較小。
4)鋼桁架柱腳出現(xiàn)嚴重開裂(后期使用過程中產(chǎn)生的損傷) 柱腳節(jié)點是上部結(jié)構(gòu)與主體高層結(jié)構(gòu)的受力交叉點,受力大且集中,其安全性直接影響整體結(jié)構(gòu)安全。
綜上所述,認為該結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的直接危險點為鋼桁架柱腳開裂。
該結(jié)構(gòu)體系基本合理,構(gòu)件變形僅有1處不滿足規(guī)范要求,鋼桁架柱腳鋼構(gòu)件開裂比例僅為7.5%,開裂構(gòu)件損傷程度雖較嚴重,但通過檢查發(fā)現(xiàn),損傷構(gòu)件分布并無規(guī)律性,考慮到本工程為超靜定空間鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)短時間內(nèi)倒塌的可能性較小,但存在明顯安全隱患;②該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)詳細檢測鑒定,同時為結(jié)構(gòu)加固提供技術(shù)參數(shù)。
既有建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測屬于掌握結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀變形與損傷和結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的環(huán)節(jié)[1],本工程詳細結(jié)構(gòu)檢測包括常規(guī)的檢測項目,如構(gòu)件截面尺寸檢測、構(gòu)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(guī)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(jié)構(gòu)損傷進行補充檢查。
采用鋼卷尺、游標卡尺、超聲測厚儀對鋼桁架構(gòu)件截面尺寸進行抽樣檢測。主要構(gòu)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(jié)果表明,所測50處構(gòu)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(gòu)件截面尺寸符合設計要求。
采用里氏硬度計對鋼桁架構(gòu)件材料強度進行抽樣檢測,結(jié)果表明,鋼桁架構(gòu)件均達到Q235鋼材抗拉極限強度要求,滿足設計要求。
現(xiàn)場取樣送至實驗室進行鋼材化學成分分析,結(jié)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。
現(xiàn)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(guī)的力學性能試驗,在此基礎上,結(jié)合現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的柱內(nèi)積水現(xiàn)象,需驗證鋼材在低溫環(huán)境下的變形性能,因此增加了沖擊韌性試驗。結(jié)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(huán)境下符合要求,但在低溫環(huán)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(jié)果
表2 鋼材沖擊韌性試驗結(jié)果
在初步結(jié)構(gòu)損傷檢查的基礎上,重點檢查鋼柱底部開裂形態(tài)、裂縫特點。結(jié)果表明,鋼柱底部呈脆性撕裂,斷口未發(fā)現(xiàn)明顯塑性變形,開裂基本出現(xiàn)在鋼柱角部,自柱腳焊縫處向上發(fā)展;鋼柱底部均出現(xiàn)膨脹、鼓曲現(xiàn)象,最大鼓曲率達17%。另外,對部分鋼管底部進行鉆孔,發(fā)現(xiàn)管內(nèi)基本存在積水現(xiàn)象,最大積水深度可達1.5m。
結(jié)合現(xiàn)場實際檢測結(jié)果(軸線、截面尺寸、材料強度等),采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件Midas Gen對原有鋼桁架(未考慮結(jié)構(gòu)損傷)進行結(jié)構(gòu)承載力驗算,通過驗算結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)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(nèi)容。本工程整體長度達100m,室外鋼結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)
圖5 鋼桁架有限元驗算模型
參考規(guī)范規(guī)定與相關文獻[4-7],將計算得到的風荷載依據(jù)鋼桁架實際受力狀態(tài)施加到節(jié)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(shù),μs為體型系數(shù),μz為風壓高度變化系數(shù),w0為風荷載基本風壓;然后得到各節(jié)點處等效荷載,按照風力不同的作用方向,分別施加等效節(jié)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(gòu)件組合應力 在風荷載和結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重荷載組合作用下,構(gòu)件應力呈下大上小的規(guī)律,相對標高2.000m以下構(gòu)件應力明顯大于上部構(gòu)件應力。除幕墻側(cè)柱下部應力接近鋼材強度設計值外,其他位置構(gòu)件應力均較小,<100MPa,尚有一定安全儲備,其中工況3構(gòu)件應力驗算結(jié)果如圖7所示。
圖7 工況3構(gòu)件應力驗算結(jié)果(單位:MPa)
2)構(gòu)件變形 結(jié)構(gòu)頂部變形最大,向下逐漸減小,均勻變化。本工程桁架結(jié)構(gòu)高10.6m,頂點位移限值按照H/100考慮,H為桁架結(jié)構(gòu)高度,即為106mm,6種工況結(jié)構(gòu)頂部最大位移均滿足要求,其中工況3構(gòu)件變形驗算結(jié)果如圖8所示。
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(jié)果了解結(jié)構(gòu)在溫度荷載作用下的受力趨勢,發(fā)現(xiàn)應力薄弱位置,綜合判斷溫度作用影響[8]。驗算結(jié)果如圖9所示,由圖9可知,桁架整體溫度應力變化均勻,結(jié)構(gòu)約束較強的位置應力較大,包括結(jié)構(gòu)2個轉(zhuǎn)角處及結(jié)構(gòu)交叉斜撐兩側(cè);少數(shù)構(gòu)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(jié)構(gòu)承載力驗算結(jié)果顯示,原有鋼桁架結(jié)構(gòu)在風荷載作用下,結(jié)構(gòu)應力與變形驗算均滿足規(guī)范要求;在溫度作用影響下,結(jié)構(gòu)應力變化均勻,未出現(xiàn)超限情況。
根據(jù)以上現(xiàn)場檢測與承載力驗算分析結(jié)果,對本工程鋼桁架結(jié)構(gòu)進行安全綜合評價,并進一步分析找出構(gòu)件損傷原因,給出相應的處理建議。
1)構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)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(jié)構(gòu)在設計風荷載作用下,承載力滿足規(guī)范要求;在溫度作用下,結(jié)構(gòu)應力合理。6處鋼桁架結(jié)構(gòu)損傷分布無明顯規(guī)律,其余結(jié)構(gòu)損傷對結(jié)構(gòu)承載力的削弱作用較小。
綜合評估認為,原結(jié)構(gòu)安全性符合規(guī)范要求,損傷對結(jié)構(gòu)有影響,但目前在可控范圍內(nèi),須進行緊急修復加固處理,才可繼續(xù)使用。
通過以上檢測及驗收結(jié)果,采用排除法進行分析,排除結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件截面尺寸、構(gòu)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(tài)進行分析。結(jié)果表明,鋼柱底部發(fā)生脆性撕裂,無塑性變形,均出現(xiàn)膨脹、鼓曲現(xiàn)象。結(jié)合鋼材低溫條件下出現(xiàn)韌性下降明顯的試驗結(jié)果,同時考慮柱內(nèi)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(nèi)積水在冬季低溫環(huán)境下發(fā)生結(jié)冰凍脹所致,其發(fā)展過程大致如下:①封板密封不嚴,柱管內(nèi)常年積水,無法排除;②柱管內(nèi)常年積水,無法排除;③冬季降溫結(jié)冰,管壁體積膨脹;④常年應力無法釋放,方鋼管開始出現(xiàn)周向變形;⑤方鋼管在角部出現(xiàn)應力集中,且此處為較薄弱部位;⑥Q235B鋼構(gòu)件在低溫下出現(xiàn)韌性降低的冷脆性,鋼管未能產(chǎn)生塑性變形,直接在角部出現(xiàn)脆性撕裂。
需指出,由水凍脹力導致的結(jié)構(gòu)損傷為非結(jié)構(gòu)受力因素,柱墩開裂同樣是內(nèi)部受到膨脹作用所致;鋼柱底部開裂后,柱內(nèi)積冰融化,鋼柱表面出現(xiàn)銹蝕,防水卷材發(fā)生劣化。
根據(jù)安全評價結(jié)果與損傷原因分析結(jié)果,有針對性地給出以下處理建議。
1)逐一檢查,排出柱內(nèi)積水,對發(fā)生銹蝕的鋼構(gòu)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(xiàn)裂縫的梁柱節(jié)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(gòu)件,酌情進行加固補強處理。
3)對現(xiàn)場檢測截面尺寸不滿足設計要求的構(gòu)件進行補強。對于安裝不滿足要求的構(gòu)件,可首先觀測一段時間,根據(jù)觀測結(jié)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。
1)高層建筑屋頂鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收環(huán)節(jié),提高施工質(zhì)量,避免施工過程的瑕疵導致結(jié)構(gòu)存在安全風險。
2)對于結(jié)構(gòu)隱患的現(xiàn)場檢查,應逐一檢查損傷和質(zhì)量缺陷,并判定損傷現(xiàn)象的產(chǎn)生是隱患產(chǎn)生的原因還是結(jié)果及在整個結(jié)構(gòu)體系安全評估中所處階段。該鋼桁架結(jié)構(gòu)封板密封不嚴是最根本的隱患之源,鋼管柱內(nèi)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(gòu)件管壁開裂,隱患逐漸由多個構(gòu)件承載力降低導致的結(jié)構(gòu)整體可靠性降低,轉(zhuǎn)為結(jié)構(gòu)安全隱患。
3)本研究為安全隱患的準確判定、結(jié)構(gòu)隱患排查及后續(xù)處理提供了參考,為類似鋼桁架結(jié)構(gòu)安全評價提供了經(jīng)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(gòu)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(jīng)濟損失的挽回。