既有网架结构的安全诊治关键技术及应用

姚志东，卢 炜

（1.中冶建筑研究总院（深圳）有限公司，广东 深圳 518055；2.深圳市建筑幕墙智能检测工程技术研究中心，广东 深圳 518055）

0 引言

自改革开放以来，我国建筑和基础设施工程快速发展，建造了大量的大跨度钢结构工程，其中网架结构屋顶占据多数，包括体育场馆、展览馆、交通枢纽、大型仓储等［1，2］。随着城市发展进入存量建筑时代，相当数量的网架结构使用年限超过 20 年，如何准确地评估其整体安全性能成为一个系统性的问题。

本文以投入使用超过 25 年的深圳某公共区域屋顶网架结构作为研究对象，通过对其结构安全性能进行多种参数的现场检测并获得检测数据，然后进行建模计算和评估分析，对分析结果进行系统的研究。该研究对类似既有网架结构的评估有积极的参考意义。

1 建筑物概况

该网架结构所属主体建筑位于深圳市某主题公园园区内，主要功能为用于表演节目的中心剧场，属于人流密集场所，设计于 1993 年，竣工于 1994 年并于当年投入使用，是该园区内的主要景点。

1.1 工程概况

该网架的结构形式为正放四角锥螺栓球节点网架，结构长 42 m，宽度为 36 m，网架高度由 1.6 m 变至 3.2 m，屋盖水平投影面积约 1 210 m2，整体放置在剧场观众席所处的屋顶位置，其中网架的支座放置在主体结构混凝土柱顶之上，整体造型由局部矩形和半圆形组成，对称布置。

结构整体示意如图 1 所示。

图1 网架结构计算模型

1.2 诊治目的

该网架结构经过了超过 25 年的使用，结构表面防火涂层退化严重，杆件出现了大面积的锈蚀现象，如图 2 所示。本次诊治的目的即是通过现场检测和评估分析，诊断该网架结构目前的安全性能，并为其后续的加固修复和安全使用提供可靠的技术依据。通过总结这一过程，即可形成安全诊治关键技术。

图2 结构现状

2 现场检测

既有网架结构的安全诊治首先从现场检测开始，主要分为三部分，分别是复核检测、探伤检测和外观缺陷检测。现场检测的部分检测内容如图 3 所示。

图3 现场检测

2.1 复核检测

复核检测主要是选择抽检一定比例进行现场检测数据和设计图纸的对比，包括两大类，一是平面布局检测，二是构件尺寸检测。

如果检测数据和设计图纸相匹配，则视为满足设计图纸要求，反之则需总结不匹配数据，或者扩大抽检数量进行验证。若检测对象没有设计图纸，本类型检测的主要目的就是通过检测平面布局和构件尺寸以便复原图纸，以作为后续计算分析的依据，且抽检比例要多于有设计图纸的情况。

2.1.1 平面布局检测

该部分检测重点比对了结构实际的平面布局和设计图纸，包括轴网尺寸，上弦杆、腹杆和下弦杆的平面布置（见图 4），以及结构支座布置等。检测结果表明，该网架结构的平面布局同设计图纸是相符的。

2.1.2 构件尺寸检测

构件尺寸检测主要内容包括杆件尺寸和螺栓球尺寸两类。

1）杆件尺寸检测。根据统计，杆件总数 2 751 根，采用 GB/T 50344－2019《建筑结构检测技术标准》［3］中建筑结构抽样检测的最小样本容量，按照 B 类要求，总计抽检了 125 根构件。检测的内容主要是杆件的直径和杆件壁厚，杆件直径通过卡尺及游标卡尺现场直接测量，杆件壁厚通过对测点表面打磨露出金属表面后采用超声波测厚仪进行测量。

图4 上弦杆、腹杆和下弦杆的平面布置

检测结果表明，总计有 114 根杆件的现场测量结果和设计图纸要求基本一致，占抽检总数的 91.2 %，测量偏差均在 0.5 mm 以内。剩余 11 根构件的测量结果与设计图纸结果不一致，但呈现出统一的规律，即不一致构件均为原设计尺寸为 Φ159×6.5 mm（直径×壁厚）的杆件（见表 1）。

表1 杆件 Φ159×6.5 的尺寸抽检测量结果 mm

根据表 1 数据，表面原设计为 Φ159×6.5 mm 的杆件统一替换为 Φ140×8.8 mm（平均值）的杆件，在后续计算建模分析中，该类型杆件的尺寸以检测数据为准。检测的内容主要是杆件的直径和杆件壁厚，杆件直径通过游标卡尺现场直接测量，杆件壁厚通过对测点表面打磨露出金属表面后采用超声测厚仪进行测量。

2）螺栓球尺寸检测。根据统计，螺栓球总数 658 个，采用 GB/T 50344－2019《建筑结构检测技术标准》中建筑结构抽样检测的最小样本容量，按照 B 类要求，总计抽检了 80 个螺栓球。检测的内容主要是螺栓球的直径，通过卡尺及游标卡尺现场直接测量。

检测结果表明，抽检的螺栓球直径和设计图纸要求基本一致，测量偏差均在 2 mm 以内。

2.2 探伤检测

探伤检测主要针对螺栓球连接状况和杆件焊缝质量，前者因为杆件端部螺栓拧入螺栓球，无法直接进行检测，因此采用射线探伤的方法；后者通过超声波探伤的方法进行检测。

2.2.1 射线探伤检测螺栓球连接状况

射线探伤的部分设备参数（见表 2）。

表2 设备参数

考虑到射线探伤具有一定的辐射，而剧场每天都有表演，从人员安全考虑，螺栓球射线探伤检测数量确定为 15 个，检测的内容为螺栓直径（D）、螺纹长度（L）及球外螺纹长度（L1），计算得到螺栓拧入球深度（ΔL=L-L1）。根据 GB 50205－2020《钢结构工程施工质量验收标准》［4］要求，螺栓球连接状况的要求是螺栓拧入球深度与螺栓直径之比大于等于 1，即：ΔL/D≥1。

图 5 所示为检测的 15 个螺栓球ΔL/D计算分布，可以看出，所检测的螺栓拧入球深度与螺栓直径之比均大于或等于 1，表明检测结果符合规范要求。

图5 螺栓拧入球深度与螺栓直径之比计算分布

2.2.2 超声波探伤检测杆件焊缝质量

超声波探伤是利用超声能透入杆件焊缝的深处，在界面边缘发生反射的特点来检测焊缝缺陷的一种方法，当超声波束自焊缝表面由探头通至焊缝内部，遇到缺陷时就发生反射波，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。根据现场实际情况，共抽检了 24 条焊缝进行超声波探伤，均未发现缺陷情况，表明所抽检的焊缝质量全部合格。

2.3 外观缺陷检测

钢结构经过长时间使用，最常见的缺陷破损问题就是锈蚀。对该网架结构进行外观缺陷检测，首先就是发现部分网架杆件、螺栓球、支座、屋面顶板及檩条存在掉漆、锈蚀现象，且钢结构表面防火涂层基本失效。此外，现场检测还发现网架部分支座螺栓垫板存在松动现象，部分支座与主体结构连接部位存在偏心现象。

3 安全评估

安全评估分两个步骤，首先是建模计算，主要是分析是否有超应力杆件；其次是整体评估诊断，结合检测结论和计算分析结果，综合评估该网架的安全性能。

3.1 建模计算分析

建模的主要依据是现场检测数据（主要是平面布置和杆件尺寸）和设计图纸资料，通过专业计算软件建模计算，得到该网架的计算结果，如图 6 所示。

图6 网架计算结果

进一步分析网架杆件承载力计算结果可知，该网架结构总计有 12 根最大应力超出规范要求的允许应力，占杆件总数的 0.44 %（见表 3）。其他计算结果比如长细比等参数基本满足规范要求。

3.2 整体评估诊断

结合检测结论和计算分析结果，该网架目前存在的安全问题如下。

1）杆件尺寸类型原设计为 Φ159×6.5 mm 的杆件，其抽检的杆件尺寸均与原设计尺寸不符，根据检测结果，该类型杆件统一被替换为 Φ140×8.8 mm（平均值）。

2）结构外观破损检测结果表明，该网架结构部分网架杆件、螺栓球、支座、屋面顶板及檩条有掉漆、锈蚀现象，网架部分支座螺栓垫板存在松动现象，部分支座与主体结构连接部位存在偏心现象。

表3 网架超应力杆件承载力验算结果

3）网架杆件承载力计算结果表明，该网架结构杆件共有 12 根最大应力超出规范要求的允许应力，占杆件总数的 0.44 %，超应力杆件的数量占比较少。

综合考虑以上因素，尽管存在部分安全问题，但网架结构整体状况尚可，依据 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鉴定标准》［5］对结构安全性的规定，该网架结构的安全性等级可以评定为 Bsu级，即结构安全性尚未受到显著影响，可以继续安全使用，但存在的安全问题必须进行加固及修复处理。

4 加固修复

4.1 处理建议

针对前述评估诊断的结论，可以给出相应的处理建议，包括：

1）对该网架结构部分杆件、螺栓球、支座、屋面顶板及檩条出现的锈蚀损伤，应对锈损杆件除锈后采取加固处理；

2）对该网架结构支座处出现松动的螺栓垫板建议采取对应的处理措施，比如拧紧螺栓或更换；对该网架结构支座与主体结构出现偏心的现象，建议加强该处支座与主体混凝土结构的连接；

3）对该网架结构应力超出规范限值的杆件及长细比超出规范限值的杆件采取相应的加固处理措施。

除杆件加固外，加固修复的方案均可按照上述处理措施进行。

4.2 杆件加固

通过总结 12 根超应力杆件的规律，发现超应力情况都出现在规格为 Φ48×3.5 mm 的杆件上，是该网架结构采用的杆件类型中截面最小的，因此杆件截面偏小是出现超应力的主要原因，故而加固方案就是要增大这些超应力杆件的截面。

网架结构属于空间结构，如果采用更换杆件的方式，在施工过程中拆除超应力杆件时会出现应力重分布的情况，从而有一定的安全风险，且现场施工难度很大，因此本文所提的加固方案采用在原有杆件的基础上对称焊接角钢的方式，以达到增大这些超应力杆件截面积的目的。代入模型试算时，将加固角钢和被加固杆件进行等截面换算，以换算后的杆件截面代入计算模型，经过试算，最终确定角钢的规格为 L30×3 mm。

经过验算，原有超应力杆件中仅 1 根杆件加固后应力略超允许应力，但未超过 5 %，可以视为基本满足要求，其余杆件均满足安全要求，且考虑加固后的计算结果中，其余杆件并未出现超应力情况。超应力杆件加固后的承载力验算结果如表 4 所示，加固方案如图 7 所示。

表4 网架超应力杆件承载力验算结果

图7 加固方案（单位：mm）

5 结语

根据上述内容，可以总结出一套针对既有网架结构安全诊治的关键技术：

1）有效合理而且有针对性的检测是安全诊治的基础，可以让我们获得结构目前的安全状况；

2）精确的建模计算可以得到准确的计算结果，为结构安全评估给出最重要的依据；

3）合理有效的加固处理方案，有助于安全诊治关键技术的闭合，从而达到让既有网架结构继续安全使用的目的。

尽管该关键技术在本文所举例的这一网架结构上得到了相对有效的应用，但针对更大范围的应用尚存在许多不足之处，具体如下：

1）本文选择应用的网架结构投影面积 1 210 m2，属于中等规模的网架，类似体育场馆、会展中心等大型或超大型网架结构中还需验证；

2）针对现场检测，还有需要增加考虑的检测内容，比如针对结构振动性能的检测，针对长期性能的结构健康监测［6］、针对网架附属金属围护结构的检测等；

3）根据网架所处地域的不同，应增加专门的评估内容，以本文所举例的网架结构，属于沿海地区，就应该增加风致响应研究［7］和抗风性能评估和耐久性能专项评估的内容。

尽管有上述不足，针对既有网架结构的安全诊治关键技术仍然值得推广应用：

1）从社会影响上，网架结构一般应用在公共建筑中，面临的是社会公共安全；

2）从技术上，现有的检测及评估技术已经可以满足进行有效安全诊治的需求；

3）最重要一点，当城市进入存量建筑时代后，建筑物的运维和诊治成为最主要的需求，会倒逼包括网架结构等既有建筑进行有针对性的安全诊治［8］。Q