既有自立式钢结构通讯塔结构的安全性检测与鉴定方法初探

第 3 9卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 7l 既有自立式钢结构通讯塔结构的安全性检测 与鉴定方法初探 谢伦武 熊 峰 姚梓渝 殷燕 四川大学建筑与环境学院 四川 成都6 1 0 0 6 5 摘要 介绍了既有自立式钢结构通讯塔结构的安全性检测与鉴定方法 结合现场实测数据及塔体三维实体有限 元建模分析结果 依据现行相关标准规范要求 按地基基础和上部塔体结构两个子单元综合评定钢结构通讯塔结 构的安全性 根据安全性评定结果给出合理的鉴定结论及建议 指导结构的加 固工作 并 以攀枝花市某既有 自立 式钢结构通讯塔结构的安全性检测与鉴定工作为例 具体阐述了这一方法的操作过程 关键词 通信铁塔 安全性 检测 结构分析 中图分类号 T U 3 9 1 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 3 0 1 0 7 1 0 4 U 刖 吾 移动通信已成为现代社会人们 日常生活和工作 不可或缺的部分 移动通信网络是由分布于各处的 移动信号发射器构成的 通讯塔则是移动信号发射 器的重要支撑物 通讯塔按结构形式可分为 自 立式 塔架 拉线塔和单管塔等 自 立式钢结构通讯塔为 格构式高耸结构 一般为矩形横截面的角钢塔和三 角形横截面的钢管塔 其主要构件为主材 横杆 斜 杆 横隔杆及辅助杆 我国许多钢结构通讯塔已使用多年 部分通讯 塔钢结构构件存在连接节点缺损 构件锈蚀 结构变 形等缺陷 同时由于历史问题部分既有通讯塔设计 执行 的技术标准低于当时相关标准规范要求 上述 因素的综合影响导致个别既有通讯塔存在结构安全 隐患 有的通讯塔已出现严重倾斜甚至倒塌 对 日常 移动通讯造成 了严重影响 因此 有必要对 既有钢 结构通讯塔进行结构安全性检测鉴定 以确保通讯 塔结构的使用安全 本文探讨了自立式钢结构通讯塔结构安全性检 测与鉴定的内容 以某既有 自立式钢结构通讯塔检 测为背景研究了结构安全性检测与鉴定的方法 1 结构安全性检测与鉴定 1 1 检测与鉴定 内容 综合现行相关标准规范要求 2 钢结构通讯塔 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 8 作者简介 谢伦武 1 9 8 6 一 男 四川广汉人 硕士研究生 主要从事 高层建筑结构方面的研究 E m a i l x i e l u n w u 5 f o x ma i l c o rn 结构的安全性鉴定可按地基基础和上部塔体结构两 个子单元综合评定 上部塔体结构子单元应从结构 构件及节点的安全性 塔体结构整体性及塔体结构 整体侧向位移等项目进行评定 结构构件及节点 的安全性鉴定包括承载能力 构造以及不适于继续承载的位移 或变形 等三个 检查项目 其中 承载能力应根据塔架结构的特点 空间作用性能 损伤程度以及结构上的荷载 作用 等 建立合理的计算模型 对结构抗力与作用效应进 行分析 评定结构构件及节点的承载能力 塔架结构整体性应包括塔架结构和支撑系统布 置 结构形式 构件选型等 根据钢结构通讯塔结构安全性鉴定内容及塔架 结构特点 其现场结构检测内容主要包括 1 地基基础调查 2 通讯塔结构实际空间布置 构件实际规格测 量 3 通讯塔结构整体侧向变形及构件局部变形 检测 4 连接构造及连接节点缺陷检查 5 结构构件及连接节点锈蚀情况检测 6 塔上通讯设备布置与重量调查 1 2 结构分析 1 2 1 分析模型 自立式钢结构通讯塔结构一般采用整体空间钢 架法进行结构分析 计算分析所需的各种尺寸 材料特性参数 附加恒载等应根据现场调查 检测结 果取值 主材与腹杆之间 腹杆与腹杆之间的连接 应按实际连接构造情况 视为刚接或铰接 1 2 2 分析荷栽 自立式钢结构通讯塔上的荷载一般包括永久荷 7 2 四川建筑科学研究 第3 9卷 载 风荷 载 裹 冰荷 载 地震作 用 雪荷载 活 荷载 包括平 台安装检修荷载 以及温度变化等 在风荷载和地震作用下 应考虑多种作用方 向 引 如图 l 所示 工 况 工况 二 工况三 l 工况 二t 图 I 塔架水平作用方向 1 2 3结果 分析 塔架结构分析结果可用于结构构件及节点的承 载能力验算 确定塔 架结构 的抗力 与作用效应之 比 和长细比验算 承载能力验算应包括强度和整 体稳定验算 结构构件 的允许 长细 比应 根据 Y D T 5 1 3 l m 2 0 0 5 移动通信工程钢塔桅结构设计规范 确定 主 材的长细比不应超过 1 5 0 横杆 斜杆的长细比不应 超过 1 8 0 当内力小于构件承载力的5 0 时 不应超 过2 0 0 横隔杆 辅助杆的长细比不应超过 2 0 0 受 拉杆的长细比不应超过 3 5 0 J 2 工程实例 2 1 工程概况 某通讯塔位于四川省攀枝花市 结构形式为 自 立式矩形横截面角钢塔 已投人使用 1 0年 塔高5 0 m 该钢塔架场地基本风压为0 3 5 k N m 位于城 市郊区的丘陵地带 地面粗糙度类别为 B类 抗震 设防烈度为7 度 设计基本地震加速度值为0 1 0 g 设计地震分组为第二组 场地类别为 类 温度变 化上限取 4 O度 下 限取 一l 0度 工作平 台的操作 荷载 均布活载 为2 0 k N m 不考虑裹冰荷载和 雪荷载 2 2 现场检测情况 根据地质勘察报告 本工程场地稳定 无不良 地 质作用 钢塔架的基础采用钻孑 L 灌注桩 上部结构 与地基基础是一个整体 经过长期使用考验 从整体 性这一观点着眼 地基基础若有重大缺陷 在上部结 构应有一定的反应 因此 地基基础是否存在不 均匀沉降 也可通过塔架的整体位移进行判定 现 场检查中未发现该通讯塔地基基础存在严重静载缺 陷 使用全站仪对该塔架进行整体垂直度检测 实 测塔架整体侧向位移最大值为5 0 m m 即为塔架高 度的1 1 0 0 0 其值满足 G B 5 0 2 9 2 1 9 9 9 民用建筑 可靠性鉴定标准 相关规定 侧 向位 移限值为 1 4 5 0 J 对该钢塔架各塔段构件进行抽检 检测 过程中未发现结构构件及节点存在不适于继续承载 的位移 或变形 情况 结构构件材质 为 Q 2 3 5钢 角 钢表 面采用热镀 锌处理 主材采用 内 外包钢 通过螺栓对接连接 主材 横杆及斜杆之 间的连接采用节点板通过螺栓 连接 其他杆件之间及与 以上杆件的连接通过螺栓 直接连接 钢 塔底部边 长为 6 8 5 i n 顶 部边长 为 0 9 0 m 共 9塔段 每隔 1 2塔段设置一道横隔 斜杆布置完备 未发现杆件缺失情况 塔体尺寸实 测数据见表 1 塔架设有两个工作平台 上平台位 于 4 8 m处 平台直径为 3 4 2 m 下平 台位于 4 4 m 处 平 台直径为 3 4 1 m 表 1 通讯塔主要构件检 测实测数据 m m 该通讯塔钢构件采用普通螺栓连接 现场抽检 结果显示 该钢塔架第 5塔段有 1 颗连接螺栓垫片 损坏 第7 塔段4 颗主材连接螺栓规格偏小 部分连 接螺栓出现螺帽松动现象 其余所抽检部分 的螺栓 连接方式正确 连接构造符合国家现行相关规范要 求 现场检测证实 该钢塔结构主要受力构件和连 接件钢板的规格均满足最小构造要求 对该钢塔架的主材 腹杆 节点板及连接螺栓等 结构构件及节点的锈蚀情况进行现场检查 检查过 程中发现第 8 塔段斜杆及第 1 塔段与塔靴之间的连 接螺栓有轻度少量点状锈蚀 平均锈蚀深度不超过 0 0 5 t 防腐涂膜面层局部有鼓起和脱落现象 其 余防腐涂膜面层完好 有轻微变色 失光现象 未发 现局部粉化 开裂或脱落现象 现场调查塔上通讯设备布置及重量 调查结果 为下平台处对称布置 2个 G网定 向天线 天线尺寸 谢伦武 等 既有自立式钢结构通讯塔结构的安全性检测与鉴定方法初探 7 3 2 5 2 0 m m 2 7 2 m m 1 2 7 m m 每副重量为 1 9 3 k g 2 3建模分析 采用上海同济大学 3 D 3 S 钢结构计算软件塔架 模块对塔体钢结构进行三维有限元分析 根据现场测量记录的塔架实际尺寸及塔段形式 建立三维有限元模型 根据地质勘察报告 本工程 场地稳定 无不良地质作用 钢塔架的基础采用钻孔 灌注桩 故假定塔基支座边界约束条件为固结 第 8塔段斜杆及第 l 塔段与塔靴之间的连接螺 栓有轻度少量点状锈蚀 但是平均锈蚀深度不超过 0 0 5 t 可不考虑锈蚀对截面承载能力的削弱 该 塔架各杆件之间采用螺栓连接 为 了更加接 近实际结构 将部分连接视为铰接 进行单元释放 单元释放方法如下 1 主材之间的连接无单元释放 2 横杆与主材连接端单元释放 3 斜杆与主材和横杆连接端单元释放 4 横隔杆和辅助杆与主材 横杆和斜杆连接端 单元释放 整个模型单元总数为 8 5 4 节点总数为 3 1 6 模 型如图 2所示 图2 塔体有 限元模型 对建立的有限元模型进行模态分析 表 2 列出 了前 3阶振 型对应 的周期 图 3为一 阶弯 曲振型 模态分析结果表明 第 1 2阶振型分别为前后 左右 摇摆的弯曲振型 由表 2 可以看出 两个方向的弯曲 振动频率相近 第 3 阶振型为扭转振型 m 表 2 结构自振周期 荷载组合包括永久荷载控制的组合 风荷载控 制的组合 温度荷载控制的组合及地震组合等 荷 载组合中 除第一组外 都包含有风荷载参与组合 图3 一阶弯 曲振型 风荷载又分为正 向和对角线方向两种工况 比较各 种荷载组合下竖 向最大 最小支座反力可知 包含对 角线方 向风载的荷载组合均比对应的包含正向风载 的荷载组合产生更大的支座反力 沿对角线方向风 载与恒载和活载的荷载组合起控制作用 该结论也 可通过最大位移查询得到 Y方 向最大水平位移 都在该荷载组合下发生 最大位移节点为 3 0 1 号节 点 即塔架顶端 位移值均为 2 0 0 7 1 m m 水平位 移满足 G B 5 0 1 3 5 2 0 0 6 高耸结构设计规范 的要 求 小于塔高 7 5 6 6 7 m m J 经构件长细 比验算 各构件的长细比均满足 Y D T 5 1 3 1 2 0 0 5 移动通信工程钢塔桅结构设计 规范 的要求 J 承载力验算结果表明 该塔架第 1 3 5 塔段主材连接节点强度验算应力比 应力 设 计强度 大于 1 0 且大于 1 1 1 认为主材连接节 点强度承载力不足 第4塔段主材及连接节点强度 验算应力比大于 1 0 为 1 1 5 认为主材及连接节 点强度承载力均不足 第 1 3 4 5 塔段主材绕 2轴 或 3轴稳定性验算应力 比大于 1 0 且大于 1 1 1 认为主材稳定承载力不足 2 4 鉴定结果与分析 2 4 1 结构构件及节点的分析与安全性等级评定 根据现场检查 检测结果和结构承载能力验算 根据 G B 5 0 2 9 2 1 9 9 9 民用建筑可靠性鉴定标准 对结构构件及节点进行安全性等级评定 j 1 由建模分析可知 第 l 3 5 塔段主材连接节 点强度承载力不足 第 4塔段主材及连接节点强度 承载力均不足 第 1 3 4 5塔段构件稳定承载力不 足 第 l 3 4 5 塔段主材及连接节点的强度或稳定 性验算应力比 应力 设计强度 大于 1 1 1 即抗力 与作用效应之比小于0 9 0 可将结构构件及节点承 载能力等级评定为 C 级 7 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 2 第5 塔段有 1 颗连接螺栓垫片损坏 第 7 塔 段4 颗主材连接螺栓规格偏小 不满足设计要求 节 点构造不合理 部分连接螺栓 出现螺帽松动现象 以上结构构件及节点构造安全性等级评定为 c 级 3 检测过程中未发现结构构件及节点存在不 适于继续承载的位移 或变形 情况 评定为 A 级 2 4 2 子单元的分析与安全性等级评定 1 根据现场检查结果 和相关鉴定规范规定 经 综合分析判断 该钢结构通讯塔结构地基基础的承 载能力满足设计正常使用荷载条件下的安全性要 求 地基基础子单元安全性等级评定为 B 级 2 第 1 3 4 5塔段主材及连接节点承载能力等 级评定为 c 级 第7 塔段主材连接节点构造安全性 等级评定为c 级 检测过程中未发现构件存在明显 变形情况 以上主要构件及连接的安全性等级评定 为 C 级 该钢塔架结构结构形式和构件选型基本正确 结构和支撑布置合理 传力路线基本合理 除第 7 塔 段4颗主材连接螺栓规格偏小外 结构构造和连接 基本可靠 没有明显的薄弱部位 结构整体基本符合 现行国家规范规定 结构整体性等级评定为 B 级 实测塔架整体侧向位移最大值为5 0 rl llT l 即为 塔架高度的I 1 0 0 0 其值满足 G B 5 0 2 9 2 1 9 9 9 民 用建筑可靠性鉴定标准 相关规定 结构整体侧向 位移等级评定为 B 级 综合以上分析 可将上部塔体结构子单元安全 性等级评定为 C 级 2 5 鉴定结论及建议 2 5 1 鉴 定结论 综合 以上信息 该钢结构通讯塔结构地基基础 子单元安全性等级评定为 B 级 上部塔体结构子单 元安全眭等级评定为 c 级 该钢结构通讯塔结构 的安全性等级评定为 C 级 2 5 2结构加固建议 1 应对规格偏小 的主材螺栓进行更换 对强度 承载力不足或稳定承载力不足的第 1 3 4 5塔段主 材杆件采用增大截面法加固处理 2 建议对损坏的连接螺栓垫片进行更换 对松 动的连接螺栓重新紧固 3 建议对存在点状锈蚀现象的第 8塔段斜