某游泳馆屋盖网架结构检测及安全性评估(精)

1、第 38卷 第 12期 建 筑 结 构 2008年 12月某游泳馆屋盖网架结构检测及安全性评估3武 岳 1, 王凤来 1, 陈 波 2, 潘景龙1(1哈尔滨工业大学土木工程学院 , 哈尔滨 ; 2北京交通大学土木建筑工程学院 , 北京 摘要 针对一游泳馆网架结构在使用中出现的杆件严重锈蚀和部分杆件挠曲问题 , 进行了现场调查和技术分析 ,阐明了引发问题的主要原因 。 指出除施工质量问题外 , 有两点教训值得在今后的设计中注意 :一是对于某些处于恶 劣工作环境中的钢结构 , 要特别注意防腐和通风 ; 二是在结构分析中 , 要注意力学简化模型是否与实际一致 , 特别是 对边界支承条件的处理 。关键

2、词 游泳馆 ; 网架结构 ; 安全性评估 ; 有限元模型Structural safety assessment of a grid the of a Wu Y ue 1, Wang Fenglai 1, 1(1School of Civil , , ;Abstract :I t a s wimming severely corrosion and s ome bars became curving during service. were carried out , and s ome reas onable conclusions were drawn. Except for the co

3、nstruction , it can learned from this less on that we should pay m ore attention to anticorrosion and ventilation treatment for steel structures that service in formidable conditions. Meanwhile , we als o need to insure that the mechanics m odel is consistent with the prototype when carry out struct

4、ure analysis , especially for sim plifying the boundary conditions. K eyw ords :swimming hall ; grid structure ; safety assessment ; finite element m odel 3东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室访问学 者基金资助。 作者简介 :武岳 , 博士 , 教授。1 工程概况该游泳馆网架平面呈椭圆形 , 轮廓尺寸为 13219m 6214m 。 从剖面看 , 网架沿长轴方向左右两半错开 , 其下弦底标高分别为 10,12m , 有 210m

5、 高差 (图 1 。网 架中部有一局部凸出的采光顶 , 轮廓尺寸约为 32m 18m 。 网架上弦节点设檩条支座 , 固定冷弯内卷边槽钢檩条 , 上铺保温彩板 , 采光顶顶部铺阳光板。网架采用 正四 角锥形 式 , 空 心焊接球节 点 , 网 格 划 分 尺 寸 为3125m 310m , 矢高 115514m 不等。周边下弦支承 ,采用平板压力支座 。网架杆件直径 60194, 钢管 材质为 Q235。 游泳馆建于 2002年 , 后期使用中发现网 架杆件出现较严重的锈蚀现象 , 且有部分杆件出现较 明显的弯曲 。 经现场调查、 检测发现 , 网架结构主要存 在如下问题 :1 杆件锈蚀 。存

6、在锈蚀的网架杆件数量较多 , 约占总数的 40%, 上弦杆锈蚀最严重 , 腹杆次之 , 下弦杆 基本完好。 有的杆件因局部锈蚀而涂层剥落 , 有的很 大范围内全截面严重锈蚀 , 见图 2, 剥落的锈蚀层厚度 达 3mm , 按国家标准 涂装前钢材表面锈蚀和防锈等级 (G B8923 88 衡量 , 已超过最严重的 D 级标准。2 杆件挠曲变形 。 检查中发现不少网架杆件存在不同程度的挠曲现象 , 因网架尺寸较大 ,可直接测量的 图 1 网架跨中剖面图杆件数量有限 , 但根据分类目测检查发现 , 部分杆件挠曲变形已严重超过允许范围 , 见图 3。个别杆件挠度 达 40mm , 已基本丧失继续承载

7、的能力。11 图 2 网架腹杆锈蚀情况 图 3 下弦杆变形情况2 杆件锈蚀原因分析1 屋面保温不利。设计资料表明 , 该屋盖采用了复合保温彩板屋面 。但在现场看 , 板底部存在大面积结露现象 , 并有一些部位存在凝结水珠 , 个别部位还在 持续滴水。 这说明屋面现有保温效果达不到要求 , 能防止冷桥结露现象 , 蚀 , %2 , 网架杆件涂 , 其下为灰色略带红色 的防腐涂层。 采用金属涂层厚度监测仪进行了 14个测区的实测 , 结果表明防腐涂层平均厚度 10919m , 最 薄 5810m , 最厚 18215m 。在管材锈蚀部位可见到剥离的防火涂层 , 且防腐涂层已粉化 ; 在一些防火涂层

8、剥 落的部位可见到钢管表面有焊接时的点状残余物 , 表 明施工时除锈工艺未达到标准。 根据仪器检测得到的 成分分析 , 防腐涂料应为环氧富锌漆。资料显示 , 工程 具有 DTH0624环氧富锌底漆的合格证书 , 若使用该类 底漆 , 除锈等级不应低于 Sa2。 游泳馆现有室内实际环 境等级可按海洋大气环境考虑 , 则环氧富锌底漆涂层厚度应不小于 175220m 。3 排通风系统不畅。游泳馆安装有通排风系统 ,但排气口设在网架下弦平面以下 , 因此网架空间通风不畅 , 温度较高 、 湿度大 , 在网架内感觉像在 “蒸笼” 里 闷热 、 潮湿 。另据管理人员反映 , 由于通风系统噪声 大 , 并没

9、有按要求正常运行 , 而是长期处于关闭状态 。4 相邻结构对比。对同期施工 、 同期使用的附属用房网架进行了钢材锈蚀调查和现状调查 。从调查结 果看 , 该部分网架除与泳池临近的部位存在檩条锈蚀 外 , 杆件本身和其他部位基本保持完好。根据以上分析 , 造成工程钢材严重锈蚀的直接原 因是现有防腐涂装措施不足以抵御游泳馆的恶劣环 境 , 而造成这一后果的原因又是多方面的。1 从工程钢结构防腐的角度分析 , 设计图对防腐 的要求不明确 , 施工方案中未涉及防腐涂装施工 , 可见设计 、 施工中对网架防腐涂装的重要性未引起足够重 视 , 也未进行详细分析 , 同时 , 也未预见到可能出现的 恶劣条件

10、 。 此外实际防腐涂装施工不规范 , 防腐涂层 未刷面漆 , 涂层厚度不足 , 除锈等级未达到要求等因 素 , 也严重地削弱了富锌底漆应有的防腐能力。2 从工程实际室内环境分析 , 由于其通风系统的排风口设在网架下弦平面以下 , 且向下排风 , 导致网架 空间范围内空气不流通 、 闷热、 湿度大 , 较严重地恶化 了网架钢结构的使用环境。 附属用房内网架基本完好也证明了这一点 。此外 , 由于游泳池中消毒药往往含 有对钢材腐蚀性较强的氯离子 , 其挥发到空气中也极 大地恶化了网架的使用环境 。 再有 , , , , 3 、 , 。3 杆件挠曲原因分析现场检查中所见的网架杆件挠曲 , 部分杆件如

11、拉 杆的挠曲是由于网架安装后的后续工种施工不当造成 的 , 但相当部分杆件的挠曲应归结于荷载作用所致 , 为 此对该网架进行了仔细的结构分析和验算 。验算依据 :甲方提供的工程竣工设计图纸及相关 的规程和规范 123。验算荷载工况包括 :112恒载和112恒载 +114活载 。分别采用空间网格结构分析设计软件 MST 2000和大型有限元分析软件 ANSY S 710对 计算结果进行了校核 。设计图表明 , 网架支座采用了平板压力支座 , 并用 四根 M 24螺栓固定在下部钢筋混凝土框架梁顶的预埋 钢板上 , 中间未设橡胶垫等允许水平滑移的装置 , 因此 设计时若不考虑框架的侧移 , 则理论上

12、该网架支座应 为三向约束支座 。但实际上 , 支座约束条件与框架的 侧移刚度和网架安装过程有关。例如 , 若网架整体拼 装完成后 , 拆除网架支顶脚手架 , 再拧紧支座螺栓 , 则 网架在自重荷载作用下 , 其支座可视作单向 (竖向 约 束支座 ; 同理 , 若框架抗侧移刚度不大 , 则亦可视为单 向约束支座 。 因此实际可能介于两者之间。鉴于这种 复杂状态 , 验算中分别考虑了 3种边界 , 结果如下 :1 单向约束支座 , 允许水平滑动 :工作应力超过 Q235强度设计值 (200MPa 的杆件共计 12根 , 其中拉杆 4根 , 压杆 8根。2 三向约束支座 , 不允许水平滑动 :工作应

13、力超过 200MPa 的杆件共 94根 , 其中拉杆 1根 , 压杆 93根。3 弹性约束支座 (由于建设单位没有提供下部混凝土构件的设计图纸 , 故对下部支承刚度采用了估算111值 :工作应力超过 200MPa 的杆件共 37根 , 其中拉杆 2根 , 压杆 35根 。4 以上三种支座条件下 , 网架挠度均未超过设计 允许值 15416mm , 单向约束支座为 121mm , 弹性约束支 座 105mm , 三向约束支座 94mm 。从以上计算结果来看 , 根据不同支座约束情况所 计算出的单元应力差别很大。在滑动支座条件下 , 仅 有较少的杆件 (12根 出现超应力问题 , 如果考虑到建 模

14、误差等一些可能因素 , 可认为此状态下的原设计结 构工作性能是基本满足要求的。而在固定铰支条件 下 , 有大量杆件 (94根 出现了超应力问题 , 显然这不 可能都归结为是建模误差 。进一步分析表明 , 这些超 应力杆件多出现于网架下弦 , 且应力非常大的杆件都 位于支座附近。由图 3可看出 , 该网架并非常见的平 板网架 , 而是在跨中略有起拱 , 这就意味着网架在荷载 作用下会对周边的支座产生推力下 , 下 , 压杆承载力 , 因此要比相同截面的拉杆承载 力低很多 。 例如 , 对于长细比为 180的焊接钢管 , 其受 压承载力仅为受拉承载力的 2215%, 此时即便是较小 的压应力 (相

15、对于拉应力 , 也可能会导致杆件屈曲。 综上分析推测 , 原设计可能采用了滑动支座假定 , 而实际的支承情况更接近于三向约束支座 , 这就导致 了部分原本按拉杆 (主要是网架下弦 设计的杆件 , 实 际上却是受压的 。因此 , 在设计中对支承情况的估计 不足 , 可能是导致部分杆件出现弯曲 (压屈 现象的原 因之一。 以上推测分别从两方面得到了证明 :一是将 计算中出现超应力杆件的位置与现场观测到的挠曲杆 件位置进行了对比 , 吻合情况较好 ; 二是事后与设计者 沟通 , 也证明了原设计分析中采用了滑动支座假定。 该工程在钢管的选用上也十分混乱 , 查得网架使 用了部分材质不满足 Q235钢材

16、要求的低压流体输送 用焊接钢管 , 导致这些杆件的承载力降低了 815% 17%。 这也在一定程度上降低了网架的可靠度 , 使得 更多的杆件承载力不足和超载更严重。因此现有部分 网架杆件的挠曲应与此有关 。4 处理意见1 改善网架空间的环境条件 , 如通风系统设高位 或掀顶排风口 ; 根据网架空间实际可能的温湿度条件 , 通过热工计算 , 确定屋面板的保温层厚度 , 确保板底不 结露 , 构造设计上应避免出现冷桥。2 根据改进后的通风系统和屋面保温等构造的实 际荷载 , 重新进行网架的结构内力分析 , 并按钢管供货 方提供的产品质量保证书标明的 , 且经进场检验复试 合格的材质 , 进行各杆的

17、强度验算 , 承载力不满足要求 者均应进行加固处理。 压杆可采用减少计算长度的方 法加固 , 拉杆宜采用体外配筋的方法加固 , 并应尽量避 免对网架在受荷载状态下施焊的加固工艺 。3 现有檩条凡因锈蚀而局部穿孔或截面面积损失 超过 10%的 (在长度为一倍截面高度范围内的锈蚀 , 均 应视为同一截面损失 , 均应更换。 凡现有挠曲超过杆 长 1 的网架压杆均应调直 ; 各杆中凡因锈蚀导致同 一截面的面积损失率超过 5%的均应加固处理 。 4 屋顶结构按海洋大气使用环境进行防腐涂装设 计并合理确定防腐涂装工程使用维修周期。除锈应达 到 S t3级 , 。 5, 精心施工 , 确保工程质量。5 结

18、论作为设计人员 , 仅能够做到精确分析是不够的 , 还 应该具有清晰的结构概念和处理特殊工程问题的能 力 。 工程有两点特殊性未引起相关人员的高度重视 , 一是结构工作环境的恶劣性 , 二是结构形状较为复杂 , 其力学性能有别于普通的平板网架结构 。正是由于这 种不经意间的忽视 , 导致该结构实际运行不到三年 , 即 出现了较严重的工程质量问题。 有两点教训值得在今 后的设计中注意 :1 对于处于恶劣工作环境 (如游泳馆、 浴池等 中 的钢结构 , 要特别注意钢结构的防腐和通风处理。 2 在结构分析中 , 要注意力学简化模型是否与实 际一致 , 特别是对边界支承条件的处理。由于网架结 构属多次超静定体系 , 边界支承条件的改变可能会导 致部分杆件内力变号 , 这些杆件的内力一般不大 , 其截 面往往受长细比控制