網架屋蓋結構鋼管焊縫斷裂對網架安全性的影響分析

張兆亮，李 洋

（建研院檢測中心有限公司，北京 100029）

0 引言

大跨網架結構具有質量輕、體型大等特點。由于屋面面積大，雪災天氣中極易在不均勻積雪作用下發生結構破壞[1]。2021年11月長春突降強暴雪天氣，局部積雪已經達到1m左右。該地區某廠房的網架屋蓋結構由于屋面積雪過厚，導致2根中間層鋼管（腹桿）與下弦球節點的焊縫發生嚴重開裂，連接處完全脫開。為了了解單根鋼管斷裂是否影響網架整體安全性的問題，防止屋蓋坍塌破壞，對該廠房進行了檢測鑒定。

1 工程概況

該工業廠房為地上1層鋼結構，屋蓋采用采用斜放四角錐焊接空心球節點鋼網架，支撐方式為周邊支撐，該網架結構整體由1軸~28軸的單元1、28a軸~52軸的單元2和52a軸~72軸的單元3組成，網架南北總長154m，東西總長494m，網架覆蓋總面積70196m2，網架與鋼柱通過墊片和4顆高強螺栓連接。整棟廠房共采用了44447根鋼管以及13453個網架球節點并通過焊接安裝。

2 現場檢測

根據相應的檢測規范對該工業廠房進行現場檢測。

2.1 結構體系及平面布置核查及網架質量外觀檢查

外觀檢測應注意以下6點：①現場檢查未發現工廠結構體系及平面布置與竣工圖紙存在明顯不一致的情況；②現場檢查發現2根腹桿與焊縫處斷裂。③現場檢查發現3根腹桿存在嚴重彎曲的現象。④個別網架球節點和個別網架鋼管防腐涂層局部發生脫落、并存在銹蝕的現象，極個別網架荷載未懸掛在節點上。⑤網架下弦球節點與鋼管間連接焊縫處普遍存在未焊滿、焊渣未清理、防腐涂層脫落并伴隨銹蝕的現象。⑥現場檢查未發現支座存在明顯滑動位移，但檢測中發現個別支座節點板存在墊片翹曲、破損、銹蝕、支座與柱頂連接板脫開、螺母缺失的現象。

2.2 網架整體撓度檢測

采用全站儀對工廠網架結構變形情況進行抽樣檢測，檢測工作按照《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）[2]中的有關規定執行，部分檢測結果見表1。

表1 網架撓度檢測結果

依據《工業建筑可靠性鑒定標準》（GB 50144—2019）[3]的要求，網架屋蓋結構撓度允許值為L/250，檢測結果表明，所測網架整體撓度為L/140000～L/365，網架整體撓度均滿足規范要求。

2.3 網架鋼材強度檢測

根據結構竣工圖紙，工廠的網架鋼管采用了Q235-B（規格型號為φ60mm~φ219mm）和Q345-B（規格型號為φ245mm）2種強度的鋼管。根據現場實際情況，為減少對主體結構的損傷，采用里氏硬度計對鋼管的鋼材強度進行檢測，檢測工作按照《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344—2019）[4]的有關規定執行，部分檢測結果見表2。

表2 規格型號為φ60mm~φ219mm的鋼管強度檢測結果

按照《建筑結構檢測技術標準》（GB/T 50344—2019）附錄N的要求進行鋼材強度換算及評定。檢測結果表明，所測規格型號為φ60mm~φ219mm鋼管的抗拉強度特征值的平均值為388MPa，符合設計鋼材強度等級Q235-B對應抗拉強度標準值（370MPa～500MPa）的要求；所測規格型號為φ245mm鋼管的抗拉強度特征值的平均值為475MPa，符合設計鋼材強度等級Q345-B對應抗拉強度標準值（470MPa～630MPa）的要求。

2.4 網架鋼材截面尺寸檢測

采用鋼卷尺、游標卡尺、超聲波金屬測厚儀對網架鋼管的截面尺寸進行抽樣檢測，檢驗工作按照《鋼結構現場檢測技術標準》（GB/T 50621—2010）[5]的有關規定執行，部分檢測結果見表3。

表3 網架鋼管外徑和壁厚檢驗結果

根據《直縫電焊鋼管》GB/T 13793—2016[6]的規定，當鋼管外徑D＞50mm時，鋼管外徑D允許偏差取±1.0%D；當鋼管壁厚＞1.5mm時，鋼管壁厚t的允許偏差取±10%t。檢測結果表明，所抽檢網架結構的200根鋼管的截面尺寸中，有189根鋼管外徑符合設計要求，有6根鋼管外徑小于設計要求，有5根鋼管外徑大于設計要求；有196根鋼管壁厚符合設計要求，有2根鋼管壁厚小于設計要求，有2根鋼管壁厚大于設計要求。

3 建模分析

根據《建筑結構荷載規范》GB 50009—2012[7]、《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）[8]、《空間網格結構技術規程》（JGJ 7—2010）[9]等有關規定，對該工程結構進行建模驗算。驗算采用PKPM2010（V5.2.3版本）系列軟件進行。

3.1 結構模型建立

網架材料如表4所示。

表4 網架鋼管材料

3.2 驗算中所取的基本參數

（1）鋼材自重由程序自動計算，鋼材容重取78.5kN/m3。

（2）基本風壓取0.65kN/m2；基本雪壓取0.45kN/m2。

（3）抗震設防烈度為Ⅶ度。

（4）網架鋼管強度按設計要求取值。

（5）恒荷載、活荷載標準值按照現場荷載布置進行取值。

3.3 網架鋼管的強度和長細比驗算

統計結果見表5和表6。驗算結果表明，整個網架結構中在強度驗算中，有684根鋼管的應力比大于《工業建筑可靠性鑒定標準》（GB 50144—2019）的規定要求，其中1單元有94根鋼管不滿足規范要求，應力比的范圍為1.05~3.475，2單元有225根鋼管不滿足規范要求，應力比的范圍為1.05~6.262，3單元有365根鋼管不滿足規范要求，應力比的范圍為1.05~1.983，并且應力較大的鋼管主要集中在中間腹桿層。

表5 不滿足規范要求的應力比統計

表6 長細比統計

整個網架結構在長細比驗算中，3單元有4根鋼管的長細比大于《空間網格結構技術規程》（JGJ 7—2010）[9]的要求，剩余單元的鋼管均滿足要求。

4 安全性評估

經現場檢查，各項異常的檢測結果如下。

（1）該廠房的鋼網架屋蓋結構的平面布置與結構竣工圖紙一致，但是建設單位沒有按照規范合理布置設備，未將荷載懸掛在節點上，而是懸掛在了鋼管上。

（2）該廠房的結構損傷較為嚴重：2根腹桿焊縫斷裂；3根腹桿彎曲；構件防腐涂層局部發生脫落、銹蝕；焊縫處普遍未焊滿、焊渣未清理、防腐涂層脫落、銹蝕；支座節點存在墊片翹曲、破損、支座與柱頂連接板脫開、螺母缺失的現象。

存在的安全性問題：①在施工過程中，施工單位沒有對鋼結構的施工質量認真負責，包含焊縫質量較差導致鋼管與球節點連接不牢固，當屋面板荷載較大時導致傳到鋼管的上荷載增加，焊縫由于非等強焊縫或焊縫未滿，鋼管與球節點易發生脫開的現象；網架支座在安裝過程中，高強螺栓未擰緊，墊片未刷防腐涂層，會導致網架支座墊片銹蝕、支座滑移等對結構安全不利的結果，并增大了后期修復的難度。②在后期工廠的維護過程中，建設單位未對鋼屋蓋網架結構按時修復脫落的防腐涂層，會導致鋼管銹蝕，對結構安全造成不利的結果。

（3）驗算結果表明：該屋蓋網架結構在最不利的工況下，共有684根鋼管的應力比不滿足規范要求，應力比最大達到了6.262。雖然不滿足規范要求的鋼管僅占總鋼管的1.5%，但是當不利工況發生時，中間腹桿層的鋼管容易發生材料強度破壞，致使局部屋蓋坍塌。設計單位應盡可能考慮突發荷載等情況，才能保證網架整體的安全性。

網架整體的評價：雖然網架整體的撓度滿足規范要求，但發現個別鋼管發生了因承載力不足引起的變形及損傷的現象，并且鋼結構的施工質量較差，鋼管驗算中存在d級構件，故該廠房評為C級。但網架為高次超靜定結構、整體穩定性強、剛度高，個別鋼管損傷或承載力不足或失效為孤立事件，不會導致其他構件失效且不直接影響設備運行，廠房網架無整體垮塌的風險，但仍應對檢測中發現的缺陷及損傷構件及承載力不足的鋼管進行加固或修復處理。

5 結語

對鋼結構網架屋蓋的應用提供的一些參考。

（1）在結構設計過程中，由于較平面結構復雜，加之工業建筑荷載由于設備移位、更新等原因，在荷載方面難以考慮全面，建議增大荷載余量。

（2）在施工建設過程中，鋼結構的安裝較為較混凝土砌體結構更為困難，建議加強鋼結構連接的質量把控，例如對焊縫進行探傷，對不合格的焊縫進行整改。

（3）在后期的維護使用上，建設單位應盡量按照相應要求對網架屋蓋結構進行防腐等使用階段的處理措施，不可以隨意拆除或加建夾層及設備，更不能將荷載布置在鋼管上。