某大劇院鋼結構檢測鑒定

陳小杰 Chen Xiaojie 張方超 Zhang Fangchao 姚曉璐 Yao Xiaolu

0 引言

隨著社會的發展，人們對文化的需求越來越高，對大劇院的空間要求也越來越高。尤其是舞臺部分，由于布景的需要，空間布局復雜，且要考慮幕布、燈光的需要，一般都通過鋼結構來實現。

鋼結構的連接節點是保證結構安全的重要部分，一般通過高強螺栓連接或者焊縫連接，由于這部分均是在現場施工，若是管理不到位、施工質量不合格，會存在嚴重的安全隱患。本文將以某大劇院為例，對其鋼結構進行檢測鑒定，分析其連接節點螺栓斷裂原因，并提出處理建議，為類似工程提供參考。

1 工程概況

某大劇院建于2010年，大劇院鋼結構部分共包括舞臺區域屋面網架、桁架以及觀眾廳屋面網架。其中，舞臺屋面網架及桁架部分主要包括屋面網架、25～17.52m標高柵頂桁架、18.5m標高天橋、15m標高天橋和15m標高鋼制碼頭；觀眾廳屋面網架部分主要包括18.25m標高轉換層鋼結構、17.3m標高臺口單點吊鋼平臺、15.9m標高一道面光橋、15.6m標高二道面光橋、15.6m標高吊裝支架梁平臺和11.6m標高音響馬道。

物業管理人員于2015年12月1日檢修時發現，劇院舞臺有螺桿掉落。2016年3月2日，施工單位派人檢修，共更換了19顆螺栓。

2 現場調查

根據委托方要求，由我站檢測鑒定人員進行現場查勘。劇院舞臺鋼結構網架平面尺寸2.4m×3.2m、高2.5m，支撐在周邊混凝土上，支座布置于網架上弦，屋面采用檁條起坡，采用壓型鋼板混凝土屋面；觀眾廳屋面網架平面尺寸3.3m×3.2m、高3.6m，支撐在周邊混凝土上，支座布置于網架上弦，屋面采用檁條起坡，采用壓型鋼板混凝土屋面（圖1、2）。兩處網架鋼管均為Q345B無縫管；焊接鋼板球、支座連接板、預埋鋼板均采用Q345B；螺栓球為45號鋼；緊固件螺栓采用Q235B，支座采用固定球鉸支座。構件主材的工廠拼接及工地拼接焊縫均為一級焊縫，其余的對接焊縫按二級焊縫，角焊縫和非熔透焊縫按三級焊縫。鋼結構構件采用拋丸除銹處理，除銹等級應達到 Sa2.5 級和 St3 級。

圖1 舞臺桁架布置情況

3 檢測鑒定

根據房屋質量檢測的相關規定，針對房屋的特點和實際狀況，制定檢測鑒定方案。因本次檢測不同于常規混凝土結構、磚砌體房屋整體檢測，根據鋼結構網架及桁架材料性能、施工工藝、防火防腐等級，本次檢測內容除進行建筑結構圖紙復核測繪、房屋完損檢測、房屋變形測量、材料強度檢測等常規檢測類型外，還應進行焊縫探傷、鋼結構防腐涂料涂裝檢測、螺栓連接質量檢測（螺桿化學元素分析、構件垂直度、支座沉降差異檢測）等檢測內容，再結合鋼結構計算軟件3D3S對該結構的復核計算，進行安全性分析，給出檢測結論及建議。

3.1 焊縫探傷檢測

在鋼結構工程中，焊接技術是不可缺少的加工工藝之一，同時也是保持其強度和保證使用壽命的重要手段。因此，鋼結構的焊接質量直接影響著鋼結構的安全性[1]。

對舞臺區域桁架平臺鋼結構的全熔透焊縫，分別抽取了6榀桁架上弦桿的24條對接焊縫、2榀桁架弦桿支座的8條熔透焊縫，以及9根鋼梁與弦桿的對接焊縫（9條）；對觀眾廳區域屋面網架鋼結構的焊接球焊縫，分別抽取了4個支座節點焊接球的弦桿和腹桿對接焊縫，4個下弦節點焊接球的弦桿和腹桿對接焊縫。超聲探傷基本參數如表1、2所示。

結果表明，舞臺桁架平臺共檢測了45條焊縫，發現10處焊縫存在超標缺陷，焊縫檢測結果不合格；觀眾廳屋面網架焊接球共檢測了60條焊縫，未發現超標缺陷，焊縫檢測結果合格。

3.2 鋼結構涂裝檢測

由于鋼結構工程具有防火性差、鋼材易于銹蝕等缺點，為了提高其耐火等級和耐腐蝕性，通常都采用在鋼材表面涂刷防火涂料和防腐涂料的方法。但由于施工工藝、環境腐蝕等因素，導致涂層厚度不滿足設計要求或涂層材料失去原有性能，進而部分或全部失去對金屬材料的保護作用。因此，定期開展鋼材的涂層檢測，對維持鋼結構的長期使用和降低因金屬腐蝕導致的國民經濟損失具有重大的現實意義。

表1 舞臺桁架平臺構件焊縫檢測參數

表2 觀眾廳屋面網架焊縫檢測參數

現場采用eXactoFN涂層測厚儀，參照《鋼結構現場檢測技術標準》（GB/T50621—2010）對觀眾廳屋面鋼結構及舞臺區域鋼結構構件涂層厚度進行測量。結果表明，現場測量的26個構件中，共有9個構件的表面涂層厚度不符合設計要求。

3.3 螺桿連接質量檢測

因物業管理人員于2015年12月檢修時發現劇院舞臺有螺母掉落，后經施工單位派人檢修更換了19顆螺栓（圖 3）。

3.3.1 螺桿化學元素分析

對舞臺桁架連接螺栓進行現場取樣，從舞臺6榀桁架共取樣9個螺栓，其中，6個螺栓為原有的，3個是新近更換。現場取樣的螺栓中，取一個原有螺栓進行全元素化學分析，再取3個原有螺栓及3個新螺栓進行C、Si、Mn、Ti、B等5種元素的含量分析。

根據檢測報告，螺栓全元素分析中定性的元素為：Fe、Mn、Si、C、Cu、Cr、Ti、Ni、Al、P、S、Co、Mo。

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根據設計圖紙及《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》（GB1231—2006）、《合金結構鋼》（GB/T3077—1999），舞臺桁架高強螺栓采用10.9s，螺栓直徑為20mm，材料為20MnTiB，螺栓的元素含量分析結果見表3。檢測結果表明，舞臺桁架原有螺栓及新近更換的螺栓化學元素成分含量均滿足規范要求。

3.3.2 螺栓連接質量檢測

現場采用高強螺栓軸力扭矩復合測試儀對舞臺桁架連接的高強螺栓連接狀況進行了檢測，對部分螺栓進行取樣，并替換新的螺栓。檢測發現，原有螺栓扭矩及預拉力基本符合規范要求，部分螺栓存在預拉力過大現象，部分螺栓螺桿有變形，無法將螺栓取出。

3.3.3 螺栓硬度檢測

對現場取樣的3個原有螺栓進行芯部硬度試驗，檢測結果見表4。結果顯示，高強螺栓10.9S芯部洛氏硬度最小值為33HRC、最大值為39HRC，原有螺栓硬度平均值為37.3～38.0HRC，均符合高強螺栓10.9S的標準要求。

圖3 舞臺桁架部分螺栓更換

表3 螺桿化學元素含量檢測結果（化學成分/%）

4 結構計算分析

根據現行國家規范《鋼結構設計規范》（GB50017—2003），對舞臺區域桁架平臺鋼結構、舞臺區域屋面網架鋼結構、觀眾廳區域屋面網架鋼結構的構件承載力與變形進行驗算。現對觀眾廳屋面鋼網架計算進行介紹。

根據委托方提供的設計資料，觀眾廳屋面網架由上弦桿、腹桿、下弦桿、轉換層和設備平臺組成。采用3d3sV10.0計算軟件建立計算模型，進行承載力驗算。觀眾廳屋面網架各構件均采用梁單元模擬，材料特性均采用Q345B鋼材，網架支座均采用鉸支座，平面布置及計算模型如圖4、5所示（由于部分桿件尺寸與設計不符，計算模型中桿件按照實測桿件尺寸進行計算，且計算中不考慮部分支座傾斜偏差等損壞）。

計算結果表明，觀眾廳屋面網架各構件的最大強度應力比為0.74，最大穩定應力比為0.83，均滿足規范要求。

5 鋼結構安全性分析

在不考慮構件變形、焊縫缺陷及螺栓等質量缺陷的情況下，根據實測構件截面尺寸，舞臺桁架平臺、舞臺及觀眾廳屋面網架各構件的最大強度應力比和最大穩定應力比均滿足規范要求。

（1）目前，網架存在的損壞現象不影響網架整體結構安全，但需要對彎曲變形的下弦桿進行更換，對支座傾斜移位、連接鋼條斷開（圖6）及外觀損壞的，需盡快對癥處理。

表4 螺桿硬度檢測結果

圖4 觀眾廳屋面網架平臺布置圖(圓表示支座)

圖5 計算簡圖(數字為節點號)

（2）舞臺桁架螺栓連接及焊縫連接均為桁架節點連接部位，桁架本身存在明顯的側向彎曲及傾斜變形，對桁架的安全性有影響，存在一定的安全隱患，但未發現有明顯的危險跡象，需要對螺栓及焊縫、桁架側向彎曲變形等損壞現象盡快對癥處理。

圖6 屋面網架支座傾斜移位，連接鋼條斷開

6 結語

鋼網架結構因其具有安全儲備高、整體性和穩定性好、便于成批生產、現場施工速度快等優點，在大跨度體育館、展覽館、大會堂、影劇院、車站、飛機庫、廠房、倉庫等建筑中廣泛應用。但鋼結構桿件和節點的尺寸偏差會使結構內部形成初始應力，因此，鋼結構節點的可靠連接是結構安全的重要保證。本案例所介紹的鋼網架結構的檢測重點、結構復核計算、安全性評估等內容，對于類似工程檢測項目具有參考和借鑒意義。