在役斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全檢測與狀態(tài)評估

臧 靖， 王少杰

（1.金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169；2.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096）

0 引 言

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)［1－3］具有重量輕、剛度大、抗震性能好等突出優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于體育館、影劇院、候車廳、飛機庫等大跨度空間結(jié)構(gòu)的屋蓋。在30m左右、小跨度輕型屋面工程中，周邊支承斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在我國得到廣泛應(yīng)用［4］。與正方四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，桿件受力更為合理，即受壓桿短、受拉桿長，構(gòu)造亦較為簡單，用鋼量可降低25%左右。在工程大規(guī)模應(yīng)用的同時，圍繞斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)長期安全服役問題開展研究意義顯著。本文基于某既有實際工程，在開展安全檢測和病害調(diào)查基礎(chǔ)上，提出了一種適于在役網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估方法。

1 工程概況

在役斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)建成于20世紀(jì)80年代末，系棗莊市某廠區(qū)俱樂部工程的二層屋頂。該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)縱向長邊尺寸為42.0m，橫向短邊尺寸為21.0m，豎向高度2.0m，總覆蓋面積882m2。網(wǎng)架四周上弦節(jié)點簡支于圈梁上，除四個角部節(jié)點支座間距為1.5m外，其余支座間距均為3.0m。空心鋼球與鋼管采用焊接連接，屋面采用輕型屋面。在屋架下弦設(shè)有吊頂，吊頂龍骨采用規(guī)格不統(tǒng)一的方木制作而成，面層為紙面石膏板。圖1（a）、（b）分別為在役斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的仰視圖和斷面圖，較為清晰地展示了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的宏觀信息。

圖1 在役斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 現(xiàn)場檢測

2.1 管徑及壁厚檢測

由于該斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)已建成服役20余年，特別是該廠區(qū)倒閉后停止了對該工程的使用，致使管理和養(yǎng)護(hù)缺失，期間也導(dǎo)致留存圖紙不同程度缺失，故現(xiàn)場檢測時逐一對所有桿件的管徑及壁厚進(jìn)行了檢測。去除檢測誤差的影響，從后續(xù)建立有限元模型方便性角度，可以將959根桿件分為7種規(guī)格。圖2所示為該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面圖，其中1＃桿件規(guī)格為Φ44.0×3.7，共計254根；2＃桿件規(guī)格為 Φ49.2×3.6，共計204根；3＃桿件規(guī)格為 Φ55.3×3.7，共計194根；4＃桿件規(guī)格為Φ59.7×3.8，共計54根；5＃桿件規(guī)格為Φ67.7×4.5，共計208根；6＃桿件規(guī)格為 Φ74.8×4.5，共計37根；7＃桿件規(guī)格為Φ57.5×4.5，共計8根。

圖2 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 銹蝕及病害調(diào)查

由于該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋面存在漏雨現(xiàn)象，致使紅丹防銹漆涂層剝落，加之缺少管養(yǎng)沒有及時采取補救措施，使得該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)局部區(qū)域存在銹蝕病害。病害調(diào)查表明，在沿著網(wǎng)架結(jié)構(gòu)四周分布的鋼球節(jié)點和與銹蝕鋼球相連的桿件端部銹蝕嚴(yán)重，其中下弦桿件對應(yīng)的鋼球節(jié)點、腹桿下端銹蝕最為嚴(yán)重，如圖3所示。銹蝕鋼球節(jié)點數(shù)共計84個，占鋼球總數(shù)的38.53%。鑒于較為嚴(yán)重的銹蝕病害，采用超聲波探傷進(jìn)一步對銹蝕節(jié)點逐一進(jìn)行了超聲檢測，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫等嚴(yán)重病害。表面除銹后發(fā)現(xiàn)，除極個別銹蝕特別嚴(yán)重的鋼球節(jié)點外，銹蝕層較薄。據(jù)此推斷，銹蝕主要是由于2009年廠區(qū)破產(chǎn)后管養(yǎng)缺失、屋頂漏雨造成，有必要及時采取措施，阻斷病害進(jìn)一步發(fā)展。

圖3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)銹蝕病害

2.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下?lián)隙葯z測

為較為準(zhǔn)確把握該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體受力特性，采用精密水準(zhǔn)儀［5］采集了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)縱向方向跨中和四分點處對應(yīng)的豎向變形。測點位置如圖6所示的標(biāo)注，其中 M5點豎向變形ZM5＝61mm，M7點豎向變形ZM7＝68mm，M9點豎向變形ZM9＝65mm。為便于測試，所有測點均位于該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的下弦。其中位于跨中的測點M7對應(yīng)豎向變形最大，小于《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》（JGJ 7－91）［6］中關(guān)于容許撓度限制的規(guī)定，即用作屋蓋時，不應(yīng)超過短向跨度尺寸的1/250（84mm）。據(jù)此，可初步判定該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋的撓度限制滿足規(guī)范要求。

2.4 屋面及吊頂現(xiàn)狀

屋面采用的是輕型屋面，即以鋼絲網(wǎng)水泥石棉瓦作基層，上鋪60mm厚水泥蛭石保溫層和二氈三油防水層。由于防水層已遠(yuǎn)超服役壽命，老化損毀嚴(yán)重，屋頂雜草、野樹叢生，如圖4所示。現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，支撐鋼絲網(wǎng)水泥石棉瓦的建筑做法不符合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的受力要求，即上部屋面荷載沒有通過龍骨全部轉(zhuǎn)換給網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上弦節(jié)點，有部分龍骨支撐在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的上弦桿件上，如圖5所示。由于漏雨等原因，也造成吊頂存在較為嚴(yán)重的損壞現(xiàn)象，如圖1（a）所示。吊頂在建筑做法上也存在不當(dāng)，即吊頂方木懸掛在下弦桿間；但吊頂作為非結(jié)構(gòu)受力部分，除承擔(dān)自身重量外，僅起裝飾作用。

圖4 損毀的屋面

圖5 有載上弦桿

3 狀態(tài)評估

3.1 初始有限元模型

為客觀、準(zhǔn)確的評價該斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)，依據(jù)現(xiàn)場檢測得到的管徑及壁厚信息，基于ANSYS參數(shù)化建模技術(shù)，建立了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的初始有限元模型，如圖6所示。單元類型采用BEAM188單元，該單元可以考慮鋼管壁厚信息；邊界條件據(jù)現(xiàn)場實際做法確定，縱、橫向均按簡支考慮；建立初始有限元模型時，材料信息按照理想狀態(tài)取值，即彈性模量取值為2.06×1011N/mm2，泊松比取值0.3，密度取值7850kg/m3。除自重外，所有荷載均簡化為節(jié)點荷載，其中屋面荷載根據(jù)建筑做法按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009－2012）［7］統(tǒng)計取值為0.8kN/m2，轉(zhuǎn)化為上弦節(jié)點荷載為7.2kN；同理，吊頂荷載統(tǒng)計取值為0.2kN/m2，轉(zhuǎn)化為下弦節(jié)點荷載為1.8kN。

圖6 初始有限元模型

3.2 模型修正

根據(jù)建立的初始有限元模型計算可知，M5、M7、M9點豎向變形有限元計算結(jié)果分別為53.2mm、58.4mm、56.6mm，與2.3檢測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，檢測值略大于計算值。究其原因，可能是由于銹蝕等病害致使結(jié)構(gòu)整體剛度降低造成的，為得到精度更高的有限元模型，以便于開展該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的深入分析和評估，遂開展基于檢測結(jié)果的模型修正。

由于在檢測過程中，沒有開展靜力加載試驗、動測試驗等，僅測試了該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對應(yīng)三個特征點的豎向下?lián)狭?，結(jié)合病害調(diào)查，選擇網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的彈性模量E作為修正變量［8］，彈性模量可以反映網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的整體剛度信息。目標(biāo)函數(shù)則依據(jù)豎向變形予以構(gòu)建，其表達(dá)式為：

式中：zai為豎向變形計算值，zti為豎向變形測試值，m為測點數(shù)。將檢測結(jié)果代入式（1）可得到對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)為：

通過調(diào)整彈性模量E的取值，使得式（2）取最小值，即minf（x）時對應(yīng)的彈性模量E作為修正后有限元模型的彈性模量取值。當(dāng)然，這一過程屬于優(yōu)化過程，可以借助于ANSYS等商業(yè)軟件實現(xiàn)。本文基于ANSYS軟件優(yōu)化設(shè)計模塊，得到修正后的彈性模量為1.784477646×1011N/mm2，可以看出，較理想狀態(tài)下的彈性模量降低了13.37%，即該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的剛度降低了13.37%?；谛拚蟮哪Ｐ?，計算得到的M5、M7、M9點對應(yīng)的豎向變形分別為61.39mm、67.45mm、65.35mm，與檢測結(jié)果吻合程度高。依據(jù)修正后的有限元模型，開展在役網(wǎng)架結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的評估將更加客觀、準(zhǔn)確。

3.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)

在修正后有限元模型基礎(chǔ)上，考慮恒、活荷載組合并進(jìn)行有限元計算后，分別提取了7種桿件的軸力圖，將各種桿件對應(yīng)的最大軸力分別除以其對應(yīng)的凈截面面積，即得到強度應(yīng)力比；如考慮軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)，即將各種桿件對應(yīng)的最大軸力分別除以穩(wěn)定系數(shù)與各桿件毛截面面積的乘積，則可得到其穩(wěn)定應(yīng)力比。各種桿件的強度應(yīng)力比和穩(wěn)定應(yīng)力比見表1。

表1 應(yīng)力比計算

從表1中可以看出，6＃桿對應(yīng)的強度應(yīng)力比最大，7＃桿對應(yīng)的穩(wěn)定應(yīng)力比最大，且均小于該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼材對應(yīng)的抗拉、抗壓強度設(shè)計值215MPa，有較大的安全儲備。

4 結(jié)束語

（1）該在役斜放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在節(jié)點與桿端銹蝕、屋頂損毀等突出病害，需及時采取補救措施，避免病害進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)滿足規(guī)范和使用要求。

（2）基于現(xiàn)場檢測、病害調(diào)查和有限元分析相結(jié)合的研究思路，適于在役網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估，該種思路能夠最大程度利用現(xiàn)場檢測資料，評價結(jié)論客觀、準(zhǔn)確，可在其它工程推廣應(yīng)用。

（3）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)應(yīng)加強管養(yǎng)，切實做好防銹、除銹工作，特別是使用率較低的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)工程，更應(yīng)該定期檢查和維修，貫徹以防為主的原則，病害一旦大規(guī)模顯現(xiàn)，不僅會對結(jié)構(gòu)本身造成損害，而且需要更大投入才能補救。

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