既有單層工業廠房安全性檢測與分析

楊明飛，王 辛

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

綜合國內外研究表明，世界上經濟發達國家的工程建設大體上都經歷了3個階段，即大規模新建、新建與維修改造并舉和重點轉向既有建筑的維修改造[1]。隨著我國工程建設到了一定階段，建筑結構的維修改造將成為主要的建設方式。我國現有大量的建筑結構，其性能已經出現嚴重退化，安全性也低于設計規范的要求，部分建筑結構功能相對于新的要求已經落后[2]。大量現存結構因性能退化面臨著退役的威脅，并且新建工程費用高、周期長，而對既有建筑結構進行加固維修投資小、工期短。未來對既有建筑結構的改造利用仍是工程建設重點[3]，而建筑結構改造的前提是對其進行鑒定，然后根據鑒定結果采取相應的處理措施。以某單層工業廠房為例，對其進行安全性檢測，同時得出了一些相關結論，為后續的同類工作提供了參考。

1 工程概況

1.1 項目現狀

該項目位于淮南市某工業園。建筑為單層工業廠房，主體為鋼結構，建筑面積4122.2 m2。接受檢測委托后，按照現行《工業建筑可靠性鑒定標準》(GB50144—2008)的要求對該建筑進行了安全性鑒定[4]。

1.2 整體外觀檢測

對該單層工業廠房進行外觀檢測，該廠房整體外觀良好，無明顯破損和不均勻沉降，如圖1所示。廠房內部保存良好，鋼構件無明顯銹蝕傾斜現象，如圖2所示。維護系統完整，滿足使用要求。

圖1 整體外觀

圖2 內部鋼構件狀況

圖3 檢測示意圖

1.3 項目檢測示意圖

檢測示意圖如圖3所示。

2 結構原位檢測

2.1 構件垂直度檢測

依據國家標準《工業建筑可靠性鑒定標準》GB50144—2008[4]和《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205—2001[5]，對廠房內鋼柱進行隨機抽樣，并使用全站儀測量廠房內柱底和柱頂坐標，并計算柱子垂直度偏差，經檢測：廠房柱垂直度偏差，最大值為62.97 mm，最小值為4.00 mm，平均值為18.96 mm。

表1 構件垂直度檢測數據

2.2 構件跨中撓度檢測

依據國家標準《工業建筑可靠性鑒定標準》GB50144—2008[4]和《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205—2001[5]，對廠房內鋼梁進行隨機抽樣，并使用全站儀測量廠房內梁跨中和支座坐標，與設計圖紙比對，計算出鋼梁跨中撓度值，經檢測：廠房梁跨中撓度，最大為值78.00 mm，最小值為10.00 mm，平均值為37.00 mm。

表2 鋼梁撓度檢測數據

2.3 構件外觀檢測

依據國家標準《工業建筑可靠性鑒定標準》GB50144—2008[4]和《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205—2001[5]以及行業標準《鋼結構現場檢測技術標準》GB/T50621—2010[6]，對廠房內構件進行隨機抽樣，并依據相關規范、標準進行外觀檢測，典型構件外觀檢測如圖4所示，構件滿足構造要求，有輕微銹蝕，結合該工業廠房的用途及工作環境，初步判斷屬于大氣腐蝕[7]，[8](P117)。焊縫及涂層狀況良好，螺栓連接滿足要求。維護系統中屋蓋系統與圍護墻體完整，滿足使用要求。

圖4 廠房A15柱

3 數值分析

3.1 靜力分析

使用有限元軟件ANSYS對該單層工業廠房進行分析，根據目前實測數據進行建模，并做荷載簡化處理。梁柱等均使用beam188單元模擬。屋面板采用壓型鋼板，簡化為質量點均勻作用于鋼架梁上，質量點采用mass21單元模擬[9](P152)。模型選用雙線性隨動強化模型，材料屬性按照現場測定數據定義，鋼材采用Q235。靜力荷載作用下，結構整體模型如圖5所示，此時結構受力如圖6所示。由圖中可知，在靜力荷載作用下，梁柱節點和柱腳部位應力較大，最大應力達到49.0 MPa，最大豎向變形為11 mm，滿足靜力承載及變形要求。

3.2 動力分析

模態分析是結構動力分析的基礎，利用有限元軟件進行模態分析，得到該結構前十階模態如表3所示，圖7給出了該結構的前四階振型。

表3 整體結構自振頻率

圖5 有限元模型

圖6 靜力分析結果

圖7 結構振型圖

考慮到淮南地區7度抗震設防，結合現行《建筑抗震設計規范》GB50011—2010[10]，利用峰值加速度為220 gal的3條地震波(Elcentro波、Taft波和人工波)對結構進行三向激勵，地震波時長20 s，結果顯示該結構變形及強度均滿足要求。以Elcentro波作用下，結構整體受力和頂點水平位移為例進行說明。由圖8可見，在Elcentro波激勵下，單層工業廠房的最大應力出現在柱腳處，應力值為195 MPa。圖9中頂點最大位移為8.4 mm，層間最大相對彈塑性位移角為[1/1190]，滿足GB50011—2010《建筑抗震設計規范》關于單層鋼結構的彈性層間位移角[θe]=1/250的限值要求[10]。

圖8 Elcentro波作用下結構整體受力

圖9 頂點位移時程曲線

4 安全性鑒定

4.1 第一層次鑒定[構件安全性評級a、b、c、d]

鋼結構構件鑒定結論：根據《工業建筑可靠性鑒定標準》第6.3節[4]，該單層工業廠房鋼結構構件，整體垂直度偏差和撓度變化較小，基本滿足相關規范要求，但個別構件表面出現銹蝕現象，因此安全性等級評定為b級。

4.2 第二層次鑒定[子單元安全性評級A、B、C、D]

承重結構子單元：依據《工業建筑可靠性鑒定標準》第7.2和7.3節[4]，該建筑物承重結構構件承載力滿足要求，未出現明顯變形，地基未發現不均勻沉降現象，因此承重結構子單元安全性等級評定為B級。

4.3 第三層次鑒定[鑒定單元(建筑)安全性評級一、二、三、四]

整體結構的安全性評定：綜上所述，按照《工業建筑可靠性鑒定標準》的規定[4]，同時考慮到整棟建筑的承載能力、垂直度偏差、撓度和外觀質量等問題，整體結構的安全性等級綜合評定為二級。

5 結論

既有建筑的安全性檢測是一項非常重要的工作，是建筑結構改造的前提，符合當前提出的全壽命周期設計的理念。以某單層工業廠房為例，經過多方面檢測及數據分析，得出了以下結論：

1)該廠房整體外觀良好，無明顯破損。鋼構件整體無明顯銹蝕傾斜現象。但部分鋼柱柱腳部位有銹蝕現象，初步判斷是由于使用環境導致的大氣腐蝕，具體腐蝕機理及對結構的影響需進一步展開研究。

2)承重結構未出現明顯變形，構件承載力滿足要求。維護系統完整，滿足使用要求。地基未發現不均勻沉降現象。

3)使用有限元軟件ANSYS可以有效校核檢測數據，對該結構進行靜力和動力分析，驗證了結構的受力變形特征，結果表明該結構承載力及變形均滿足現行規范要求。

4)綜合測試和分析結果，單層工業廠房的安全性等級別評定為二級，結構的加固改造應在此基礎上進行。