某生态动物园钢结构改造可行性鉴定与加固

李 刚,易 鑫,单晓菲,刘 敏

(1.湖南华城检测技术有限公司,湖南 长沙 410017； 2.湖南中腾土木工程技术有限公司,湖南 长沙 410017； 3.湖南中力结构设计事务所有限公司,湖南 长沙 410017； 4.岳阳市规划勘测设计院有限公司，湖南 岳阳 414000)

1 工程概况

某生态动物园鸟园地面钢结构工程由大小两个鸟园组成，覆盖面积大鸟园为7 752.8 m2，小鸟园为4 398.7 m2，围墙总长度为526.95 m。由于年代久远，拟对该工程上部主体部分的天网、立网、下部围网及其附件全部拆除并更换成新的不锈钢鸟网和围网。

2 现场检测

现场对鸟网结构进行常规检测，检测结果见表1。

表1 常规检测项目及检测结论

3 改造方案

3.1 改造设计思路

1)拆除原天网和立网及其升降装置吊框拉索、原有主拉索及升降装置上的次拉索、边柱上的工作拉索。

2)更换主拉索：安装直径φ19 mm-7×19的304不锈钢钢丝绳。

3)在前主拉索上新安装φ8 mm-7×19的304不锈钢钢丝绳环形拉索。

4)新安装不锈钢网及其绑扎固定：采用304φ1.0-25 mm×25 mm网孔六边型不锈钢钢丝网。

5)钢件表面防锈处理。

3.2 材料情况

1)不锈钢网采用304φ1.0-25 mm×25 mm网孔六边型钢丝网。

2)钢索采用钢丝绳：主拉索为φ19-7×19；所有环拉索钢丝绳为φ8-7×19，上述钢丝绳的钢丝抗拉强度不小于1.40 kN/mm2，所有钢线卡子、套环等构配件均需与钢丝绳匹配，绳卡采用热镀锌。

3.3 改造施工思路

1)改造前准备工作：a.全部索具试装配；b.成片编织加工制作不锈钢钢丝网片，合理安排在高空的操作时间和工序。

2)边柱微调及连接拉索：借助辅助拉索固定边柱，使其柱顶水平偏移不大于0.3%，将主拉索对称地与边柱连接，避免在安装过程中中柱受力不均，所有拉索安装完毕后，进行拉索调整，施工时采用调整其水平拉力的方法，视中柱与边柱的偏移情况进行微调整，调整过程应反复多次，时间不少于3 d，调整结束后，所有柱偏移须满足GB 50205—2020钢结构工程施工质量验收标准第10.3.4条不超过H/1 000和25 mm要求。

3)安装环向拉索和不锈钢网：安装环向拉索后基本不改变径向拉索的原形状，安装不锈钢网过程中随时检查各柱顶的水平位移值，如位移发展过快，应停止安装，查明情况并处理后再进行施工。

4)安装全部完成后，应重新检查各柱顶的水平位移值，视实际情况进行调整，以备查考，微调结束后，封住各柱柱脚。

5)新不锈钢网安装完成后，进行脚手架拆除作业。

4 承载力计算复核

4.1 计算模型

采用Hpermesh有限元软件[6]对结构进行整体建模，采用ABAQUS/Standard6.4[7]通用有限元软件进行精细化计算分析，整体有限元模型如图1所示。其中，钢柱和钢索采用B31梁单元，钢丝网片采用S4R减缩积分壳单元，结构化划分模型网格。

由于现场实际为带孔洞的钢丝网，采用壳单元模拟网片。根据网孔尺寸25 mm×25 mm进行面积换算。具体如下：单位面积Au内，网片体积Vu=Ac×25×2=39.25 mm3，等效为相同面积的钢片，其厚度为t=Vu/Au=0.063 mm，钢丝网等效方案如图2所示。

4.2 边界荷载条件及荷载组合

1)边界条件。

结构边界条件约束立柱和主拉索的地面节点的6个自由度，如图1所示。

2)荷载条件。

结构荷载条件包括结构自重、风荷载和雪荷载，考虑工况一偏载和工况二满载两种不同工况。自重通过软件施加全局加速度；风荷载取网架所在地区基本风压：0.35 kN/m2，按50年重现期取值，B类场地。结构的风压标准值按照公式计算，不考虑阵风系数[8]。

wk=βzμsμzω0

(1)

其中，βz为风振系数，取1；μs为体形系数，根据模型情况，偏保守取为0.6；μz为高度系数，取为30 m处值0.88。风荷载均根据截面投影宽度换算至主拉索和立柱上。施加采用线荷载，如图3～图8所示。

考虑钢丝网上孔洞，按照孔洞率折算，折减系数取为0.1，钢丝网上的风荷载标准值为：0.018 5 MPa。

中间立柱风荷载换算为：0.12 N/mm；

外侧立柱风荷载换算为：0.06 N/mm。

结构雪荷载按照网架所在地区50 a重现期雪压进行计算。基本雪压为0.45 kN/m2，计算公式按照：

Sk=μrs0

(2)

其中，积雪分布系数根据网面夹角取为平均值0.55，可计算雪荷载的标准值为0.000 25 MPa。

3)荷载组合。

为校核结构强度，考察承载能力极限状态下的基本组合，雪荷载组合系数为0.7。荷载组合后最大如式(3)所示：

S=1.2恒载+1.4×风荷载+1.4×雪荷载×0.7

(3)

4)本构关系。

钢材采用弹塑性(硬化)本构模型[9]，Mises屈服准则，其应力-应变关系表达式如下：

(4)

其中，σi为钢材的等效应力；fs为钢材的屈服强度；fu为钢材的极限强度，取fu=1.5fs；Es为钢材弹性模量，取Es=2.06×105MPa；Est为强化模量，Est=ζEs；εi为钢材的等效应变；εy为钢材屈服时的应变；εst为钢材强化时的应变；εu为钢材达极限强度时的应变，εu=εst+0.5fs/(ζEs)，取εst=12εy，εu=120εy，ζ=1/216。

4.3 计算复核结果

1)在给定预拉力30 kN时，在偏载工况下，各构件应力计算结果如表2所示，应力云图如图9～图13所示。

表2 偏载工况下应力计算结果

2)偏载工况下结构最大变形为1 046 mm，整体变形云图如图14所示。

3)在给定预拉力30 kN时，在满载工况下，各构件应力计算结果如表3所示，应力云图如图15～图19所示。

表3 满载工况下应力计算结果

4)满载工况下结构最大变形为1 875 mm，整体变形云图如图20所示。

5 改造可行性鉴定结论

根据现场实际检测情况，结合有限元计算分析可知：

1)在偏载工况分析下，钢立柱、钢拉索和钢网面局部最大应力均达到材料屈服强度，出现局部塑性变形，局部最大变形为1 046 mm。

2)在满载工况分析下，该工程改造后拉索和钢柱结构强度满足承载力要求，主拉索需要施加500 MPa以上的预拉应力。在加载侧向荷载后，主索和环向索的应力超过1 200 MPa，局部应力接近1 400 MPa，等效钢网面最大应力达到304不锈钢屈服强度，局部会出现塑性变形，局部最大变形为1 875 mm。

该改造方案基本可行，承载力基本满足要求，但个别构件局部最大应力接近或者刚好达到材料屈服强度值，存在局部塑性变形，整体变形偏大。应适当提高拉索和钢网的设计尺寸，确保结构有更多的安全富余量。

6 加固设计

该工程大鸟园中间AZZ柱高25 m，所测垂直度最大偏差为230 mm，接近规范允许值240 mm。为减小AZZ柱变形，综合实际情况和委托方的要求，排除现场调直、置换构件等方案，决定本着加强结构整体性、提高结构综合承载能力和经济合理的原则对结构进行加固。

在AZZ柱8 m位置，增加3个203 mm×6 mm钢支撑，新加钢支撑如图21所示。

钢支撑根部新增C30混凝土独立基础，基础置于原压实土层上，地基承载力特征值fak不小于100 kPa。新加混凝土基础如图22所示。

AZZ柱新加钢支撑后，长细比得到有效控制，现场加固施工后表明效果良好。

7 结论

1)现场对钢结构进行了外观质量检查、荷载调查、结构布置核查、钢构件截面尺寸检测、钢材硬度检测、防腐涂层厚度检测、垂直度检测等多个项目的检测，结果表明部分指标不符合原设计及验收规范要求。

2)采用Hpermesh有限元软件对结构进行整体建模，采用ABAQUS/Standard6.7大型通用有限元软件考虑偏载和满载两个不同工况下的精细化承载力计算分析，结果表明该改造方案基本可行，但个别构件局部最大应力接近或者达到材料屈服强度值，存在局部塑性变形。整体变形偏大，应适当提高拉索和钢网的设计尺寸，确保结构有更多的安全富余量。

3)新增加钢支撑后，大鸟园AZZ柱变形得到有效控制，提高了安全系数。

4)本文的研究成果可为类似工程提供参考。