楊 雪，樊麗軒，王金龍，劉佳敏，鄧 婕

（1.中國電建集團核電工程有限公司，山東 濟南 251200； 2.太原理工大學土木工程學院，山西 太原 030024）

門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)因其施工速度快、柱網(wǎng)布置靈活、結(jié)構(gòu)空間大等優(yōu)點而廣泛應用于單層工業(yè)廠房中。但是在使用過程中，各種非正常使用易導致結(jié)構(gòu)不滿足后續(xù)安全使用要求，甚至導致各種事故的發(fā)生，因此針對存在此類問題的門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)進行安全性檢測鑒定是非常有必要的?？紤]到其實際應用，門式剛架輕型鋼結(jié)構(gòu)的非正常使用包括結(jié)構(gòu)超載、車輛或機械撞擊、爆炸等人為因素，火災、雪災、地震等自然災害，以及生產(chǎn)工藝改進帶來的結(jié)構(gòu)使用功能改變和結(jié)構(gòu)布置變化等情況［1-3］。楊春強［4］和陳懷亮［5］將輕型門式剛架結(jié)構(gòu)在使用過程中的事故原因總結(jié)為使用環(huán)境和荷載的變化以及使用中缺乏定期維護等。周勇［6］和賈傳果［7］認為改變結(jié)構(gòu)使用功能前，應根據(jù)檢測鑒定結(jié)果對不滿足要求的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件進行加固。王國渝等［8］指出鋼柱的不均勻沉降對輕鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有一定影響，當柱沉降接近規(guī)范限值時，宜考慮附加內(nèi)力的影響。董羽［9］認為在門式剛架單跨結(jié)構(gòu)中，地基沉降會導致柱頂側(cè)移以及梁端與柱頂應力增加；而在雙跨結(jié)構(gòu)中，沉降對柱腳剛接有影響，但對梁跨中撓度影響較小。

FERRER等［10］指出車輛的速度和質(zhì)量等因素對實腹式鋼柱受撞擊時的能量交換有顯著影響。王蕊等［11］和ZHAO等［12］根據(jù)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果指出，承受沖擊荷載的H型鋼試件在壓應力下主要表現(xiàn)為整體變形和局部屈曲，且局部屈曲部位是薄弱部位，試件表現(xiàn)為整體失穩(wěn)破壞。路國運等［13］指出，H型鋼柱極易在沖擊部位發(fā)生塑性變形，局部變形主要表現(xiàn)為翼緣下凹以及腹板面外變形。上述研究表明沖擊荷載作用對實腹式柱的承載力有較大影響，但以上研究僅以H型鋼試件為研究對象，且試驗中構(gòu)件兩端約束條件均較為理想，與實際情況下H型鋼柱的受力情況存在一定誤差。而目前針對實際結(jié)構(gòu)中足尺H型鋼柱在非正常使用下的承載力研究較為有限。本文選取某輕鋼結(jié)構(gòu)儲煤廠房為典型案例，該廠房在建成后使用功能發(fā)生較大改變，廠房內(nèi)材料堆載較大；且部分鋼柱在大型車輛撞擊作用下產(chǎn)生變形和傾斜。為確保該建筑仍可安全使用，對該廠房進行了現(xiàn)場調(diào)研、有限元模擬及理論分析，并針對該廠房的結(jié)構(gòu)/構(gòu)件存在的問題提出了相應的加固措施。

1 工程概況

某廠房結(jié)構(gòu)形式為單層雙跨雙坡門式剛架結(jié)構(gòu)，由13榀門式剛架組成。圍護結(jié)構(gòu)由磚砌體墻及單層壓型鋼板組成，屋面為單層壓型鋼板（如圖1所示）?；A為柱下獨立基礎。該結(jié)構(gòu)東西長度102.0 m，柱距6.0 m，南北長度60.0 m，單跨30.0 m。該地區(qū)抗震設防烈度為6度（0.05g），設計地震分組第三組。該結(jié)構(gòu)鋼柱及鋼梁均采用H型鋼，鋼材牌號均為Q345B。

圖1 某輕鋼結(jié)構(gòu)儲煤廠房西南軸測圖

2 現(xiàn)場檢查與檢測情況

2.1 結(jié)構(gòu)體系與外觀普查

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實際結(jié)構(gòu)體系基本符合原設計。廠房實際使用功能布局為：西側(cè)區(qū)域及北側(cè)區(qū)域為煤、黃土等原料堆放場所，東南區(qū)域成品煤儲存場所，如圖2所示。

圖2 某輕鋼結(jié)構(gòu)儲煤廠房內(nèi)部實際情況

現(xiàn)場對結(jié)構(gòu)外觀的普查發(fā)現(xiàn)，由于廠房內(nèi)材料堆放不規(guī)范，其圍護砌體墻受到廠房內(nèi)堆土擠壓出現(xiàn)不同程度的裂縫和變形。其中，西側(cè)山墻局部磚砌體墻出現(xiàn)平面外變形，變形區(qū)域范圍約1 650 mm×350 mm，墻體平面外錯動最大30 mm，裂縫寬度約15 mm；北側(cè)磚砌體墻出現(xiàn)通長裂縫，裂縫長約12 000 mm，寬度約20 mm，平面外錯動最大38 mm。

2.2 構(gòu)件、節(jié)點變形檢查

結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件發(fā)生損傷變形和銹蝕，節(jié)點連接處的高強度螺栓有較嚴重的銹蝕現(xiàn)象、構(gòu)造措施不符合規(guī)范等問題，如圖3所示。

1）鋼柱變形情況檢查。廠房內(nèi)常有大型裝載機等車輛進入工作，部分鋼柱可能受其撞擊發(fā)生變形。其中，2-F軸中柱受撞擊翼緣出現(xiàn)明顯凹陷變形，變形部位距地面約0.93 m，變形范圍高約600 mm，翼緣變形最大處向內(nèi)凹陷約56 mm。且該結(jié)構(gòu)個別鋼柱存在柱腳墊板缺失、錨栓螺母缺失和錨栓銹蝕等問題，如圖3（a），圖3（b）所示。2）梁梁節(jié)點、梁柱節(jié)點連接檢查。該結(jié)構(gòu)部分梁梁、梁柱節(jié)點存在螺栓松動、螺栓銹蝕嚴重和節(jié)點板連接不緊密等問題。部分拼接節(jié)點螺栓預緊力未達到規(guī)范相關(guān)要求，且選用螺栓的規(guī)格與原設計圖紙存在差異；個別梁梁節(jié)點和梁柱節(jié)點拼接處節(jié)點板存在錯位或變形情況，如圖3（c）所示。

圖3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件及節(jié)點變形及構(gòu)造問題

2.3 構(gòu)件截面尺寸及鋼材強度復核

現(xiàn)場抽取13榀鋼桁架中的44根H型鋼梁和18根H型鋼柱，采用JITAI-510型超聲測厚儀、游標卡尺等設備對構(gòu)件的截面尺寸進行復核，檢測結(jié)果顯示，所抽檢鋼梁和鋼柱的截面尺寸均符合原設計要求。另外，采用YLK-110型里氏硬度計對構(gòu)件的材料強度進行復核，結(jié)果表明，所抽檢鋼材強度達到Q345B鋼的設計要求。

2.4 結(jié)構(gòu)及構(gòu)件變形觀測

1）地基基礎相對沉降變形現(xiàn)狀觀測?，F(xiàn)場采用全站儀分別對南、北兩側(cè)鋼柱的相對沉降變形進行觀測。本次沉降觀測為單次觀測，不能反映地基基礎的連續(xù)變形情況。且由于現(xiàn)場觀測條件限制，測量時劃分了不同測區(qū)，故沉降觀測只通過其規(guī)律性來判斷地基基礎變形的現(xiàn)狀。根據(jù)觀測結(jié)果，該廠房南側(cè)（A軸）和北側(cè)（L軸）鋼柱均呈現(xiàn)出明顯的由東向西沉降逐漸增大的規(guī)律性，如圖4，圖5所示。根據(jù)現(xiàn)場普查結(jié)果分析，認為廠房內(nèi)部材料堆放不合理導致結(jié)構(gòu)西側(cè)地基產(chǎn)生不均勻沉降，可能是使得西側(cè)邊柱沉降較嚴重的主要原因之一。

圖4 結(jié)構(gòu)A軸鋼柱相對沉降量

圖5 結(jié)構(gòu)L軸鋼柱相對沉降量

2）廠房中柱垂直度。通過采用全站儀對該結(jié)構(gòu)F軸中柱垂直度進行檢測，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)部分中柱存在一定程度的傾斜，柱平面內(nèi)頂點水平位移為40 mm～77 mm之間，其中3-F柱傾斜嚴重，頂點平面內(nèi)最大位移為77 mm，超過GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標準［14］表7.3.9規(guī)定的H/400的限值要求。本次抽檢的中列鋼柱中有75%不滿足該要求。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，認為其原因是結(jié)構(gòu)的中柱列缺少柱間支撐及結(jié)構(gòu)地基基礎存在不均勻沉降。

3 結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)整體承載力計算分析

根據(jù)原設計圖紙及現(xiàn)場檢測結(jié)果，采用PKPM對該建筑結(jié)構(gòu)進行建模并計算其整體承載力。建模時假定構(gòu)件和節(jié)點均為理想狀態(tài)，基本荷載的取值依據(jù)結(jié)構(gòu)設計總說明和GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［15］，作用分項系數(shù)依據(jù)GB 50068—2018建筑結(jié)構(gòu)可靠性設計統(tǒng)一標準［16］取γG=1.3，γQ=1.5。計算結(jié)果表明，在理想條件下，該門式剛架結(jié)構(gòu)的部分梁和中柱不滿足平面外穩(wěn)定的要求。

3.2 受損構(gòu)件剩余承載力分析

考慮到PKPM無法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)在包含受損構(gòu)件的實際情況下的承載力分析，故采用ABAQUS有限元軟件對受損鋼柱展開進一步研究?？紤]到受損H型鋼柱實際情況較復雜，為簡化建模及計算過程，對模型做出以下假設：1）僅考慮沖擊荷載對鋼柱造成的幾何尺寸影響，忽略沖擊荷載對鋼材性能的損傷，忽略材料可能已進入塑性狀態(tài)的情形，忽略翼緣與腹板處的殘余應力；2）經(jīng)現(xiàn)場檢查，2-F軸受損柱節(jié)點連接良好，故假設螺栓連接良好，端板無變形，且將梁柱連接與端板連接均簡化為Tie連接。損傷中柱簡化示意圖如圖6所示。

圖6 受損中柱簡化示意圖

分別建立理想狀態(tài)和實際損傷狀態(tài)下的H型鋼柱單構(gòu)件及平面剛架結(jié)構(gòu)有限元模型。

1）單鋼柱承載力分析。H型鋼柱承載力分析采用殼單元建模，網(wǎng)格采用四節(jié)點四邊形有限薄膜應變線性減縮積分殼單元（S4R）；網(wǎng)格尺寸全局采用50 mm，損傷部位網(wǎng)格局部細化處理。模型邊界條件及網(wǎng)格劃分如圖7所示。根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，鋼材選用Q345B，抗壓強度設計值f=305 MPa，抗拉強度fu=470 MPa，屈服強度fy=470 MPa，彈性模量E=2.1×106MPa，泊松比μ=0.3。分別基于兩種破壞準則對單根鋼柱承載力進行分析：抗壓強度破壞準則認為柱最大應力達到鋼材抗壓強度設計值即破壞，極限承載力破壞準則認為柱發(fā)生受壓破壞時為極限狀態(tài)。圖8為抗壓強度破壞準則下理想柱與受損柱的Mises應力云圖，由圖8可知，理想柱最大應位于柱腳處，受損柱最大應力位于受損區(qū)域翼緣與腹板拼接處。圖9為抗壓強度破壞準則下時理想柱與受損柱的承載力-位移曲線，結(jié)果顯示受損柱極限承載力與位移分別為了降低26.6%與25.2%，且受損柱初始受壓剛度降低1.94%。圖10為極限承載力破壞準則下理想柱與受損柱極限變形情況（變形放大100倍）。結(jié)果表明，理想柱柱腳發(fā)生屈曲導致柱發(fā)生破壞；受損柱柱腳屈曲前，受損區(qū)域翼緣先發(fā)生屈曲，導致柱破壞。圖11為極限狀態(tài)下鋼柱的受力分布情況，可以看到，理想柱基本為軸心受壓破壞；而受損柱同時受彎、剪、壓三種力作用，破壞模式較復雜，且軸力于受損區(qū)域發(fā)生偏心作用，為受損區(qū)壓彎破壞。

圖7 單鋼柱構(gòu)件模型邊界條件及網(wǎng)格劃分示意圖

圖8 抗壓強度破壞準則下鋼柱柱腳應力云圖

圖9 抗壓強度破壞準則下鋼柱承載力曲線

圖10 極限承載力破壞準則下鋼柱變形圖

圖11 極限承載力破壞準則下鋼柱受力分布圖

表1為抗壓強度破壞準則和極限承載力破壞準則下理想柱與受損柱極限承載力和失效位移對比，在僅考慮構(gòu)件變形而未考慮構(gòu)件屈曲和材料強度降低情況下，受損鋼柱承載力仍有明顯降低。

表1 兩種破壞準則下受損柱與理想柱承載力參數(shù)對比

2）平面剛架結(jié)構(gòu)承載力分析。平面剛架結(jié)構(gòu)采用實體單元建模，網(wǎng)格采用八節(jié)點六面體線性減縮積分（C3D8R）；網(wǎng)格單元尺寸柱構(gòu)件取75 mm，梁構(gòu)件取100 mm。平面剛架模型如圖12，圖13所示。依據(jù)圖紙設計說明，恒載為0.30 kN/m2，活載為0.35 kN/m2，分項系數(shù)為γG=1.3，γQ=1.5；基本風壓為0.5 kN/m2，不考慮地震荷載作用。分析該平面剛架在豎向荷載及在豎向荷載+水平風荷載作用下的受力情況。

圖12 平面剛架模型邊界條件示意圖

圖13 平面剛架模型加載示意圖

分析結(jié)果表明，在豎向荷載與水平風荷載共同作用下，考慮到中柱受損位置，受損中柱對右風的敏感性更強。右風荷載作用下，受損中柱最大應力位于受損翼緣與腹板交接處，其最大應力值為左風荷載下的1.34倍。

不同風荷載作用下受損中柱受力分布如圖14所示。風荷載對受損柱的軸力影響不大；但是對受損柱彎矩影響較大，無風荷載時鋼柱反彎點位于受損區(qū)域，風荷載作用下反彎點向鋼柱上部移動，且風向變化使得彎矩方向發(fā)生變化；同時風荷載對剪力值影響也有一定影響。

圖14 風荷載對受損中柱受力情況的影響

不同風荷載作用下受損中柱與理想中柱的受力情況對比如圖15所示。受損中柱與理想中柱的受力情況存在一定差異。分析結(jié)果表明，左風荷載下，受損柱受損區(qū)域彎矩值較理想柱增加17.97%，剪力值增加4.10%；右風荷載作用下，受損中柱底部最大應力值是理想中柱的1.52倍。由于建模假設中未考慮構(gòu)件進入塑性、未考慮沖擊荷載對鋼材性能的損傷以及節(jié)點連接假設等原因，分析結(jié)果與實際值存在一定誤差。

圖15 風荷載作用下受損柱與理想柱受力情況對比

結(jié)合3.1節(jié)PKPM驗算結(jié)果，理想條件下結(jié)構(gòu)中個別梁、柱的穩(wěn)定性不滿足要求；結(jié)構(gòu)承載力因鋼柱變形而顯著降低，且梁、柱的承載力和穩(wěn)定性也有所下降，不符合相關(guān)規(guī)范要求。

4 鑒定評級及加固對措

根據(jù)GB 50144—2019工業(yè)建筑可靠性鑒定標準［14］，鑒定單元取為建筑整體結(jié)構(gòu)，包括地基基礎、上部承重結(jié)構(gòu)和維護結(jié)構(gòu)3個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。結(jié)合前文對該廠房的現(xiàn)場檢測及針對理想結(jié)構(gòu)和受損結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)子單元評級如表2所示，綜合考慮各子單元評級結(jié)果，將該建筑整體結(jié)構(gòu)可靠性等級評為Csu級，不符合正常安全使用要求，建議立即采取以下措施對結(jié)構(gòu)進行加固：

表2 輕鋼結(jié)構(gòu)儲煤場可靠性綜合鑒定評級

1）考慮到因廠房內(nèi)材料堆放不合理導致結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降，建議對建筑使用功能進行重新規(guī)劃調(diào)整，避免在后續(xù)使用過程中再次對結(jié)構(gòu)造成影響。2）對發(fā)生局部變形的中柱采用增大截面法外包鋼板進行加固，并在鋼柱根部外包鋼筋混凝土（混凝土厚200 mm，高1 200 mm），以防其再次受撞擊。3）考慮到原有磚砌體圍護墻平面外變形嚴重，且砌體結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向壓力的能力較差，建議將原磚砌體圍護墻拆除，采用鋼筋混凝土圍護結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

本文依托于某輕型鋼結(jié)構(gòu)儲煤廠房典型工程，通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)其存在以下問題：由于結(jié)構(gòu)特殊的使用環(huán)境以及日常維護不及時，導致部分構(gòu)件銹蝕情況較嚴重；廠房使用功能改變和不合理的材料堆放，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻沉降；鋼柱在撞擊作用下發(fā)生局部變形與傾斜，降低了結(jié)構(gòu)承載力。通過PKPM和ABAQUS軟件分別研究了理想條件下與含受損鋼柱的平面剛架結(jié)構(gòu)的承載力，結(jié)果表明，中柱發(fā)生變形后顯著削弱了結(jié)構(gòu)承載力。最后，針對以上問題，提出了相應的加固改造措施。

依據(jù)對該輕型鋼結(jié)構(gòu)儲煤廠房典型案例的檢測鑒定經(jīng)驗，在類似此非正常使用條件的結(jié)構(gòu)時，應關(guān)注以下3個方面：1）結(jié)構(gòu)使用功能發(fā)生較大改變時，必須根據(jù)構(gòu)件的實際情況重新進行結(jié)構(gòu)驗算，以檢測其安全性，并采取相應的加固或改造措施；2）針對有特殊使用功能或特殊使用環(huán)境的結(jié)構(gòu)，進行定期維護，保障結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性；3）構(gòu)件變形損傷會顯著降低結(jié)構(gòu)的承載性能，廠房在工作期間應避免主要構(gòu)件受到機械的撞擊作用。