在役斜放四角锥网架结构安全检测与状态评估

臧 靖， 王少杰

（1.金陵科技学院建筑工程学院，江苏 南京 211169；2.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京 210096）

0 引 言

网架结构［1－3］具有重量轻、刚度大、抗震性能好等突出优点，广泛应用于体育馆、影剧院、候车厅、飞机库等大跨度空间结构的屋盖。在30m左右、小跨度轻型屋面工程中，周边支承斜放四角锥网架结构在我国得到广泛应用［4］。与正方四角锥网架结构相比，杆件受力更为合理，即受压杆短、受拉杆长，构造亦较为简单，用钢量可降低25%左右。在工程大规模应用的同时，围绕斜放四角锥网架结构长期安全服役问题开展研究意义显著。本文基于某既有实际工程，在开展安全检测和病害调查基础上，提出了一种适于在役网架结构的状态评估方法。

1 工程概况

在役斜放四角锥网架结构建成于20世纪80年代末，系枣庄市某厂区俱乐部工程的二层屋顶。该网架结构纵向长边尺寸为42.0m，横向短边尺寸为21.0m，竖向高度2.0m，总覆盖面积882m2。网架四周上弦节点简支于圈梁上，除四个角部节点支座间距为1.5m外，其余支座间距均为3.0m。空心钢球与钢管采用焊接连接，屋面采用轻型屋面。在屋架下弦设有吊顶，吊顶龙骨采用规格不统一的方木制作而成，面层为纸面石膏板。图1（a）、（b）分别为在役斜放四角锥网架结构的仰视图和断面图，较为清晰地展示了该网架结构的宏观信息。

图1 在役斜放四角锥网架结构

2 现场检测

2.1 管径及壁厚检测

由于该斜放四角锥网架结构已建成服役20余年，特别是该厂区倒闭后停止了对该工程的使用，致使管理和养护缺失，期间也导致留存图纸不同程度缺失，故现场检测时逐一对所有杆件的管径及壁厚进行了检测。去除检测误差的影响，从后续建立有限元模型方便性角度，可以将959根杆件分为7种规格。图2所示为该网架结构平面图，其中1＃杆件规格为Φ44.0×3.7，共计254根；2＃杆件规格为 Φ49.2×3.6，共计204根；3＃杆件规格为 Φ55.3×3.7，共计194根；4＃杆件规格为Φ59.7×3.8，共计54根；5＃杆件规格为Φ67.7×4.5，共计208根；6＃杆件规格为 Φ74.8×4.5，共计37根；7＃杆件规格为Φ57.5×4.5，共计8根。

图2 网架结构平面图

2.2 锈蚀及病害调查

由于该网架结构屋面存在漏雨现象，致使红丹防锈漆涂层剥落，加之缺少管养没有及时采取补救措施，使得该网架结构局部区域存在锈蚀病害。病害调查表明，在沿着网架结构四周分布的钢球节点和与锈蚀钢球相连的杆件端部锈蚀严重，其中下弦杆件对应的钢球节点、腹杆下端锈蚀最为严重，如图3所示。锈蚀钢球节点数共计84个，占钢球总数的38.53%。鉴于较为严重的锈蚀病害，采用超声波探伤进一步对锈蚀节点逐一进行了超声检测，没有发现裂缝等严重病害。表面除锈后发现，除极个别锈蚀特别严重的钢球节点外，锈蚀层较薄。据此推断，锈蚀主要是由于2009年厂区破产后管养缺失、屋顶漏雨造成，有必要及时采取措施，阻断病害进一步发展。

图3 网架结构锈蚀病害

2.3 网架结构下挠度检测

为较为准确把握该网架结构的整体受力特性，采用精密水准仪［5］采集了该网架结构纵向方向跨中和四分点处对应的竖向变形。测点位置如图6所示的标注，其中 M5点竖向变形ZM5＝61mm，M7点竖向变形ZM7＝68mm，M9点竖向变形ZM9＝65mm。为便于测试，所有测点均位于该网架结构的下弦。其中位于跨中的测点M7对应竖向变形最大，小于《网架结构设计与施工规程》（JGJ 7－91）［6］中关于容许挠度限制的规定，即用作屋盖时，不应超过短向跨度尺寸的1/250（84mm）。据此，可初步判定该网架结构屋盖的挠度限制满足规范要求。

2.4 屋面及吊顶现状

屋面采用的是轻型屋面，即以钢丝网水泥石棉瓦作基层，上铺60mm厚水泥蛭石保温层和二毡三油防水层。由于防水层已远超服役寿命，老化损毁严重，屋顶杂草、野树丛生，如图4所示。现场调查发现，支撑钢丝网水泥石棉瓦的建筑做法不符合网架结构的受力要求，即上部屋面荷载没有通过龙骨全部转换给网架结构的上弦节点，有部分龙骨支撑在网架结构的上弦杆件上，如图5所示。由于漏雨等原因，也造成吊顶存在较为严重的损坏现象，如图1（a）所示。吊顶在建筑做法上也存在不当，即吊顶方木悬挂在下弦杆间；但吊顶作为非结构受力部分，除承担自身重量外，仅起装饰作用。

图4 损毁的屋面

图5 有载上弦杆

3 状态评估

3.1 初始有限元模型

为客观、准确的评价该斜放四角锥网架结构的服役状态，依据现场检测得到的管径及壁厚信息，基于ANSYS参数化建模技术，建立了该网架结构的初始有限元模型，如图6所示。单元类型采用BEAM188单元，该单元可以考虑钢管壁厚信息；边界条件据现场实际做法确定，纵、横向均按简支考虑；建立初始有限元模型时，材料信息按照理想状态取值，即弹性模量取值为2.06×1011N/mm2，泊松比取值0.3，密度取值7850kg/m3。除自重外，所有荷载均简化为节点荷载，其中屋面荷载根据建筑做法按照《建筑结构荷载规范》（GB 50009－2012）［7］统计取值为0.8kN/m2，转化为上弦节点荷载为7.2kN；同理，吊顶荷载统计取值为0.2kN/m2，转化为下弦节点荷载为1.8kN。

图6 初始有限元模型

3.2 模型修正

根据建立的初始有限元模型计算可知，M5、M7、M9点竖向变形有限元计算结果分别为53.2mm、58.4mm、56.6mm，与2.3检测结果对比发现，检测值略大于计算值。究其原因，可能是由于锈蚀等病害致使结构整体刚度降低造成的，为得到精度更高的有限元模型，以便于开展该网架结构服役状态的深入分析和评估，遂开展基于检测结果的模型修正。

由于在检测过程中，没有开展静力加载试验、动测试验等，仅测试了该网架结构对应三个特征点的竖向下挠量，结合病害调查，选择网架结构的弹性模量E作为修正变量［8］，弹性模量可以反映网架结构的整体刚度信息。目标函数则依据竖向变形予以构建，其表达式为：

式中：zai为竖向变形计算值，zti为竖向变形测试值，m为测点数。将检测结果代入式（1）可得到对应的目标函数为：

通过调整弹性模量E的取值，使得式（2）取最小值，即minf（x）时对应的弹性模量E作为修正后有限元模型的弹性模量取值。当然，这一过程属于优化过程，可以借助于ANSYS等商业软件实现。本文基于ANSYS软件优化设计模块，得到修正后的弹性模量为1.784477646×1011N/mm2，可以看出，较理想状态下的弹性模量降低了13.37%，即该网架结构的刚度降低了13.37%。基于修正后的模型，计算得到的M5、M7、M9点对应的竖向变形分别为61.39mm、67.45mm、65.35mm，与检测结果吻合程度高。依据修正后的有限元模型，开展在役网架结构服役状态的评估将更加客观、准确。

3.3 网架结构服役状态

在修正后有限元模型基础上，考虑恒、活荷载组合并进行有限元计算后，分别提取了7种杆件的轴力图，将各种杆件对应的最大轴力分别除以其对应的净截面面积，即得到强度应力比；如考虑轴心受压构件的稳定系数，即将各种杆件对应的最大轴力分别除以稳定系数与各杆件毛截面面积的乘积，则可得到其稳定应力比。各种杆件的强度应力比和稳定应力比见表1。

表1 应力比计算

从表1中可以看出，6＃杆对应的强度应力比最大，7＃杆对应的稳定应力比最大，且均小于该网架结构钢材对应的抗拉、抗压强度设计值215MPa，有较大的安全储备。

4 结束语

（1）该在役斜放四角锥网架结构存在节点与杆端锈蚀、屋顶损毁等突出病害，需及时采取补救措施，避免病害进一步发展，网架结构受力状态满足规范和使用要求。

（2）基于现场检测、病害调查和有限元分析相结合的研究思路，适于在役网架结构的状态评估，该种思路能够最大程度利用现场检测资料，评价结论客观、准确，可在其它工程推广应用。

（3）网架结构应加强管养，切实做好防锈、除锈工作，特别是使用率较低的网架结构工程，更应该定期检查和维修，贯彻以防为主的原则，病害一旦大规模显现，不仅会对结构本身造成损害，而且需要更大投入才能补救。

1 沈世钊.大跨空间结构的发展——回顾与展望［J］.土木工程学报，1998，31（3）：5－14.

2 董石麟.中国空间结构的发展与展望［J］.建筑结构学报，2010，31（6）：38－51.

3 姜海锋，沈小璞，赵勇.复杂网架结构的设计与优化［J］.安徽建筑工业学院学报（自然科学版），2013，21（1）：30－32.

4 夏绍全，马克俭，张华刚.点支承斜放四角锥网架的研究与应用［J］.建筑结构学报，2004，25（4）：82－86.

5 朱佳宁，浮广明，李瑞文.某超长混凝土结构厂房地基不均匀沉降检测及分析［J］.福州大学学报（自然科学版），2013，41（4）：593－597.

6 JGJ 7－91网架结构设计与施工规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，1992.

7 GB 50009－2012，建筑结构荷载规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

8 N.A.Husain，H.H.Khodaparast，H.J.Ouyang.Parameter selection and stochastic model updating using perturbation methods with parameter weighting matrix assignment［J］.Mechanical Systems and Signal Processing，2012，32：135－152.