超载车辆运行后厂房结构现状安全评估与分析

张 明

(铁正检测科技有限公司,山东 济南 250000)

0 引言

鉴于某些工业厂房生产的特殊性,经常会有车辆荷载运行其中,由于车辆荷载对建筑结构影响的特异性,车辆荷载会对结构产生较大的影响,当车辆荷载的吨位较大时,车辆荷载对工业厂房结构的影响效应会被放大,对结构产生的影响具有不确定性和突然性,存在巨大的安全隐患;近些年来国内已经有不少的检测鉴定机构对工业厂房的结构安全性进行鉴定和评估,此类研究只是针对结构现状进行安全评估,并未对原因进行分析和研究;同时亦有不少的科研院所和学者对构件的损伤与裂缝进行了大量的试验及研究分析,此类试验研究通常只局限于室内试验和理论模型分析,并不能达到一种理想和准确的效果。

本文通过对某工业厂房在大吨位车辆荷载运行后现状的调查与构件损伤的检测,对超载车辆运行后工业厂房的结构现状进行安全性评估,并对此种工况下的一些有代表性的损伤比如梁板构件裂缝进行建模计算和原因分析。

1 工程概况

某超载车辆运行后的工业厂房存在楼板底部裂纹、框架梁出现结构性裂纹等问题,并且少量楼板已产生混凝土脱落、钢筋裸露现象。对此,需对梁板裂纹区域的楼面结构进行检测鉴定及问题原因分析[1]。

该建筑于2016年建造,地区的抗震设防烈度为6度;设计基本地震加速度为0.05g;设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅲ类。主车间为地上2层框架结构,鉴定单元为下部平台混凝土框架结构,鉴定单元建筑面积约为4 000 m2,该工程结构设计基准期为50 a,主体结构的安全等级为二级。

2 鉴定程序及内容

2.1 鉴定程序

鉴定程序见图1。

2.2 承重结构的调查和检测

上部承重结构的调查和检测项目见表1。

表1 上部承重结构的调查和检测项目

3 现场检测情况

3.1 结构布置及构件尺寸

现场利用激光测距仪对该工程的结构布置进行抽样检测,利用钢卷尺对混凝土柱、梁的截面尺寸进行抽样检测,同时钻取混凝土板芯样检测楼板截面尺寸,检测结果见表2。

表2 构件截面尺寸检测结果

检测结果表明:该工程的构件尺寸及结构布置均满足设计要求。

3.2 混凝土强度检测结果

依据JGJ/T 23—2011回弹法检测混凝土抗压强度技术规程和JGJ/T 384—2016钻芯法检测混凝土强度技术规程,钻取梁与板的混凝土芯样,用其抗压强度修正柱、梁、板的回弹换算结果;经钻芯修正后,柱、梁、板的回弹法检测混凝土强度结果见表3。结果表明:经钻芯修正后,一区构件的混凝土强度在25.0 MPa～30.0 MPa之间。二区构件的混凝土强度在30.0 MPa～35.0 MPa之间。因此一区混凝土构件的强度推定等级为C25,二区混凝土构件的强度推定等级为C30。

表3 构件混凝土强度检测结果

3.3 构件钢筋配置检测结果

采用钢筋检测仪对柱、梁、板的钢筋配置进行了抽样检测,检测操作依据JGJ/T 152—2019混凝土中钢筋检测技术标准的有关规定进行。梁构件的钢筋配置检测结果见表4。

表4 梁构件钢筋配置检验结果

检测结果表明:抽检柱、板的钢筋配置均满足原设计要求;部分梁存在缺陷,保护层厚度明显不足[2],出现箍筋外露现象,经抽样检测该部分梁的纵向受力钢筋保护层厚度不满足原设计要求。

3.4 构件缺陷检查结果

现场对该工程已开裂的梁板构件裂缝进行检测,检测结果见表5,表6;检测结果表明:一区和二区的梁板构件均产生不同程度的损坏和裂缝,且一区的梁板损坏程度和裂缝宽度均比二区要严重得多。

表5 梁构件裂缝检查结果

表6 板构件裂缝检测结果

3.5 其他

经检测,未发现横向受力构件有较大挠度变形现象,未发现竖向受力构件有较大倾斜变形现象,未发现基础有明显不均匀沉降现象,当前基础工作正常。

4 安全性鉴定

4.1 构件评级

该厂房部分柱、梁板混凝土实测抗压强度修正值不满足原设计强度等级的要求;且厂房一区、二区范围内的多数梁构件在弯剪区段出现贯通斜裂缝。

依据GB 50144—2019工业建筑可靠性鉴定标准第6.2.2条混凝土构件的承载能力项目应按6.2.2的规定评定等级。当构件出现受压及斜压裂缝时,视其严重程度,承载能力项目直接评为c级或d级;当出现过宽的受拉裂缝、变形过大、严重的缺陷损伤及腐蚀情况时,尚应分析其不利情况对承载能力评级的影响,且承载能力项目评定等级不应高于b级。该厂房一区、二区范围内的多数梁构件在弯剪区段出现贯通斜裂缝,其构件评级为c级或d级,详细构件安全性评级见表5,表6。

4.2 计算单元评级

依据GB 50144—2019工业建筑可靠性鉴定标准第7.3.4条,当单层厂房上部承重结构是由平面排架、平面框架或框排架组成的结构体系时,其承载功能的等级可按下列规定近似评定:

将平面计算单元中的每种构件按构件的集合及其重要性区分为重要构件集或次要构件集。平面计算单元中每种构件集的安全性等级可按标准中表7.3.4-1的规定评定,各平面计算单元的安全性等级宜按该平面计算单元内各重要构件集中的最低等级确定。

表7 上部承重结构安全性鉴定评级结果表

4.3 上部承重结构评级

上部承重结构的安全性等级,应按结构整体性和承载功能两个项目评定,并取其中较低的评定等级作为上部承重结构的安全性等级。依据GB 50144—2019工业建筑可靠性鉴定标准第7.3.4条,上部承重结构承载功能等级可按表7的规定评定[3]。

4.4 鉴定单元安全性评级

依据GB 50144—2019工业建筑可靠性鉴定标准第8.0.1条,综合地基基础的安全性评定等级与上部结构安全性评定等级,评定该厂房各鉴定单元的安全性等级如下:

一区下部平台结构鉴定单元的安全性等级为四级(极不符合国家现行标准的安全性要求,已严重影响整体安全,必须立即采取措施)[4]。二区下部平台结构鉴定单元的安全性等级为三级(不符合国家现行标准的安全性要求,影响整体安全,应采取措施)。

5 承载力验算分析

5.1 计算信息

本次鉴定采用中国建筑科学研究院的PKPM计算分析程序,依据现行结构设计规范GB 50009—2012建筑结构荷载规范,对一区、二区下部平台结构进行分析。分别取梁、板弯矩最不利位置及剪力最不利位置施加设计车辆荷载(见图2—图4)。

5.2 计算工况

1)车辆荷载按照实际汽车荷载(额定载重量)取值。

2)材料强度分别按照一区和二区的实际混凝土强度等级进行计算(见表8)。

表8 构件配筋验算结果表

从表8可知,一区、二区构件的计算配筋面积均是实际配筋面积的1.6倍,且一区构件计算配筋面积是二区计算配筋面积的1.02倍。建模计算结果表明:在大吨位车辆荷载作用下一区和二区的构件计算配筋面积均远远大于实际配筋面积,混凝土强度对建模计算配筋面积有影响,但影响很小。

6 构件损伤机理分析

6.1 梁开裂原因分析

6.1.1 超载因素分析

该厂房一区、二区范围内的多数梁构件在端部出现的贯通斜裂缝主要是由于使用荷载大于原设计引起的。依据原设计:该厂房梁构件出现裂缝区域楼面设计汽车荷载为20 t,最大轮压标准值为60.5 kN,当楼面上运行车辆超过设计荷载或有特殊车辆荷载时,应该采取加强措施后方能运行。

根据甲方提供的车辆参数表和现场调查,一区、二区作用效应最大的车辆实际荷载为40.5 t,最大轮压为145 kN,远超原设计值。

经建模计算分析,一区和二区的构件梁在实际荷载作用下支座处的负弯矩筋所需的配筋面积均大于实际的配筋面积,因此构件梁端部的实配负弯矩钢筋面积不足以承载实际车辆荷载,在梁的端部位置产生剪切裂缝。

6.1.2 混凝土强度因素分析

本次鉴定单元构件设计混凝土强度等级为C30,经现场混凝土强度检测,部分构件的强度达不到设计要求,一区的构件混凝土强度推定等级为C25,二区的构件混凝土强度推定等级为C30。

由表8可知,在相同的车辆荷载作用下,混凝土强度等级低的一区(C25)构件计算配筋的面积(5 600 mm2)略微大于混凝土强度等级高的二区(5 600 mm2),但相差不大(1.02倍)。

由构件损伤检查结果可知,一区和二区在大吨位荷载作用下,梁板均产生不同程度的裂缝和损伤,一区(C25)由于混凝土强度等级低于二区(C30)混凝土强度等级,一区的梁板构件损伤程度远大于二区,这与建模验算分析结果(相差不大)有出入。

6.2 构件开裂后承载性能分析

混凝土梁的受剪承载力计算公式为:

该式右侧第一项为无腹筋梁(素混凝土梁)的受剪承载力,第二项是配箍筋后的受剪承载力提高值(而不是箍筋的受剪承载力)。对于配有腹筋的梁,箍筋限制了斜裂缝的开展,使混凝土剪压区面积增大,提高了混凝土承担的剪力。也就是第二项中有一部分属于混凝土的作用。

斜裂缝出现后,梁中的混凝土已经失去抗剪能力,而箍筋对抗剪能力的贡献需要借助于混凝土完成,此时抗剪能力已经比较弱。

因此在建模计算配筋面积相差不大的情况下,由于混凝土强度低会放大车辆荷载对构件损伤的影响程度,以至一区和二区在计算负弯矩筋面积相差不大的情况下,出现一区构件损伤远远大于二区的情况出现。

由于混凝土梁的受剪破坏为脆性破坏(破坏比较突然),建议应立即对出现斜裂缝的梁进行加固处理[5]。

6.3 板底混凝土裂缝及碎裂原因分析

该厂房一区、二区范围内个别板底面混凝土有裂缝及碎裂。裂缝形态为网状裂缝,网状裂缝是板顶面作用荷载较大产生的受力裂缝。板在梁板交界处板底面混凝土产生破碎并出现漏筋现象,这种破碎是由于使用荷载过大引起的,车辆轮压作用于梁板交界处板顶面,在该位置板中会有因剪力引起的剪应力和弯矩引起的压应力,混凝土剪压共同作用下产生了破碎。

6.4 钢筋保护层厚度不足对结构的不利影响分析

1)钢筋保护层厚度不足无法保证钢筋与混凝土协同工作。混凝土结构中,钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种不同材料组成的复合材料,两种材料具有良好的黏结性能是它们共同工作的基础。

2)钢筋保护层厚度不足时,空气中的有害气体更容易到达钢筋表面,引起钢筋锈蚀。钢筋裸露在大气或者其他介质中,容易受蚀生锈;而锈蚀钢筋的有效截面减少,会影响结构受力。

7 结语

1)本工业厂房一区下部平台结构鉴定单元的安全性等级为四级(极不符合国家现行标准的安全性要求,已严重影响整体安全,必须立即采取措施)。二区下部平台结构鉴定单元的安全性等级为三级(不符合国家现行标准的安全性要求,影响整体安全,应采取措施)。

2)厂房鉴定单元一区和二区在超载车辆运行后梁板构件均出现不同程度的损伤和裂缝,且危害严重的剪切裂缝居多;混凝土强度等级低的一区(C25)要比强度等级高的二区(C30)更严重。

3)经过建模分析计算在实际大吨位车辆荷载作用下,一区和二区的计算负弯矩筋面积要远远大于实际配筋面积(1.6倍)。一区(C25)和二区(C30)在混凝土强度等级不同的情况下,计算负弯矩筋面积几乎相同。

4)在超载车辆运行后,构件会在负弯矩区域产生剪切裂缝,混凝土强度等级的降低会增大这种破坏效应。