超載車輛運行后廠房結構現狀安全評估與分析

張 明

(鐵正檢測科技有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

鑒于某些工業廠房生產的特殊性,經常會有車輛荷載運行其中,由于車輛荷載對建筑結構影響的特異性,車輛荷載會對結構產生較大的影響,當車輛荷載的噸位較大時,車輛荷載對工業廠房結構的影響效應會被放大,對結構產生的影響具有不確定性和突然性,存在巨大的安全隱患;近些年來國內已經有不少的檢測鑒定機構對工業廠房的結構安全性進行鑒定和評估,此類研究只是針對結構現狀進行安全評估,并未對原因進行分析和研究;同時亦有不少的科研院所和學者對構件的損傷與裂縫進行了大量的試驗及研究分析,此類試驗研究通常只局限于室內試驗和理論模型分析,并不能達到一種理想和準確的效果。

本文通過對某工業廠房在大噸位車輛荷載運行后現狀的調查與構件損傷的檢測,對超載車輛運行后工業廠房的結構現狀進行安全性評估,并對此種工況下的一些有代表性的損傷比如梁板構件裂縫進行建模計算和原因分析。

1 工程概況

某超載車輛運行后的工業廠房存在樓板底部裂紋、框架梁出現結構性裂紋等問題,并且少量樓板已產生混凝土脫落、鋼筋裸露現象。對此,需對梁板裂紋區域的樓面結構進行檢測鑒定及問題原因分析[1]。

該建筑于2016年建造,地區的抗震設防烈度為6度;設計基本地震加速度為0.05g;設計地震分組為第三組,場地類別為Ⅲ類。主車間為地上2層框架結構,鑒定單元為下部平臺混凝土框架結構,鑒定單元建筑面積約為4 000 m2,該工程結構設計基準期為50 a,主體結構的安全等級為二級。

2 鑒定程序及內容

2.1 鑒定程序

鑒定程序見圖1。

2.2 承重結構的調查和檢測

上部承重結構的調查和檢測項目見表1。

表1 上部承重結構的調查和檢測項目

3 現場檢測情況

3.1 結構布置及構件尺寸

現場利用激光測距儀對該工程的結構布置進行抽樣檢測,利用鋼卷尺對混凝土柱、梁的截面尺寸進行抽樣檢測,同時鉆取混凝土板芯樣檢測樓板截面尺寸,檢測結果見表2。

表2 構件截面尺寸檢測結果

檢測結果表明:該工程的構件尺寸及結構布置均滿足設計要求。

3.2 混凝土強度檢測結果

依據JGJ/T 23—2011回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程和JGJ/T 384—2016鉆芯法檢測混凝土強度技術規程,鉆取梁與板的混凝土芯樣,用其抗壓強度修正柱、梁、板的回彈換算結果;經鉆芯修正后,柱、梁、板的回彈法檢測混凝土強度結果見表3。結果表明:經鉆芯修正后,一區構件的混凝土強度在25.0 MPa～30.0 MPa之間。二區構件的混凝土強度在30.0 MPa～35.0 MPa之間。因此一區混凝土構件的強度推定等級為C25,二區混凝土構件的強度推定等級為C30。

表3 構件混凝土強度檢測結果

3.3 構件鋼筋配置檢測結果

采用鋼筋檢測儀對柱、梁、板的鋼筋配置進行了抽樣檢測,檢測操作依據JGJ/T 152—2019混凝土中鋼筋檢測技術標準的有關規定進行。梁構件的鋼筋配置檢測結果見表4。

表4 梁構件鋼筋配置檢驗結果

檢測結果表明:抽檢柱、板的鋼筋配置均滿足原設計要求;部分梁存在缺陷,保護層厚度明顯不足[2],出現箍筋外露現象,經抽樣檢測該部分梁的縱向受力鋼筋保護層厚度不滿足原設計要求。

3.4 構件缺陷檢查結果

現場對該工程已開裂的梁板構件裂縫進行檢測,檢測結果見表5,表6;檢測結果表明:一區和二區的梁板構件均產生不同程度的損壞和裂縫,且一區的梁板損壞程度和裂縫寬度均比二區要嚴重得多。

表5 梁構件裂縫檢查結果

表6 板構件裂縫檢測結果

3.5 其他

經檢測,未發現橫向受力構件有較大撓度變形現象,未發現豎向受力構件有較大傾斜變形現象,未發現基礎有明顯不均勻沉降現象,當前基礎工作正常。

4 安全性鑒定

4.1 構件評級

該廠房部分柱、梁板混凝土實測抗壓強度修正值不滿足原設計強度等級的要求;且廠房一區、二區范圍內的多數梁構件在彎剪區段出現貫通斜裂縫。

依據GB 50144—2019工業建筑可靠性鑒定標準第6.2.2條混凝土構件的承載能力項目應按6.2.2的規定評定等級。當構件出現受壓及斜壓裂縫時,視其嚴重程度,承載能力項目直接評為c級或d級;當出現過寬的受拉裂縫、變形過大、嚴重的缺陷損傷及腐蝕情況時,尚應分析其不利情況對承載能力評級的影響,且承載能力項目評定等級不應高于b級。該廠房一區、二區范圍內的多數梁構件在彎剪區段出現貫通斜裂縫,其構件評級為c級或d級,詳細構件安全性評級見表5,表6。

4.2 計算單元評級

依據GB 50144—2019工業建筑可靠性鑒定標準第7.3.4條,當單層廠房上部承重結構是由平面排架、平面框架或框排架組成的結構體系時,其承載功能的等級可按下列規定近似評定:

將平面計算單元中的每種構件按構件的集合及其重要性區分為重要構件集或次要構件集。平面計算單元中每種構件集的安全性等級可按標準中表7.3.4-1的規定評定,各平面計算單元的安全性等級宜按該平面計算單元內各重要構件集中的最低等級確定。

表7 上部承重結構安全性鑒定評級結果表

4.3 上部承重結構評級

上部承重結構的安全性等級,應按結構整體性和承載功能兩個項目評定,并取其中較低的評定等級作為上部承重結構的安全性等級。依據GB 50144—2019工業建筑可靠性鑒定標準第7.3.4條,上部承重結構承載功能等級可按表7的規定評定[3]。

4.4 鑒定單元安全性評級

依據GB 50144—2019工業建筑可靠性鑒定標準第8.0.1條,綜合地基基礎的安全性評定等級與上部結構安全性評定等級,評定該廠房各鑒定單元的安全性等級如下:

一區下部平臺結構鑒定單元的安全性等級為四級(極不符合國家現行標準的安全性要求,已嚴重影響整體安全,必須立即采取措施)[4]。二區下部平臺結構鑒定單元的安全性等級為三級(不符合國家現行標準的安全性要求,影響整體安全,應采取措施)。

5 承載力驗算分析

5.1 計算信息

本次鑒定采用中國建筑科學研究院的PKPM計算分析程序,依據現行結構設計規范GB 50009—2012建筑結構荷載規范,對一區、二區下部平臺結構進行分析。分別取梁、板彎矩最不利位置及剪力最不利位置施加設計車輛荷載(見圖2—圖4)。

5.2 計算工況

1)車輛荷載按照實際汽車荷載(額定載重量)取值。

2)材料強度分別按照一區和二區的實際混凝土強度等級進行計算(見表8)。

表8 構件配筋驗算結果表

從表8可知,一區、二區構件的計算配筋面積均是實際配筋面積的1.6倍,且一區構件計算配筋面積是二區計算配筋面積的1.02倍。建模計算結果表明:在大噸位車輛荷載作用下一區和二區的構件計算配筋面積均遠遠大于實際配筋面積,混凝土強度對建模計算配筋面積有影響,但影響很小。

6 構件損傷機理分析

6.1 梁開裂原因分析

6.1.1 超載因素分析

該廠房一區、二區范圍內的多數梁構件在端部出現的貫通斜裂縫主要是由于使用荷載大于原設計引起的。依據原設計:該廠房梁構件出現裂縫區域樓面設計汽車荷載為20 t,最大輪壓標準值為60.5 kN,當樓面上運行車輛超過設計荷載或有特殊車輛荷載時,應該采取加強措施后方能運行。

根據甲方提供的車輛參數表和現場調查,一區、二區作用效應最大的車輛實際荷載為40.5 t,最大輪壓為145 kN,遠超原設計值。

經建模計算分析,一區和二區的構件梁在實際荷載作用下支座處的負彎矩筋所需的配筋面積均大于實際的配筋面積,因此構件梁端部的實配負彎矩鋼筋面積不足以承載實際車輛荷載,在梁的端部位置產生剪切裂縫。

6.1.2 混凝土強度因素分析

本次鑒定單元構件設計混凝土強度等級為C30,經現場混凝土強度檢測,部分構件的強度達不到設計要求,一區的構件混凝土強度推定等級為C25,二區的構件混凝土強度推定等級為C30。

由表8可知,在相同的車輛荷載作用下,混凝土強度等級低的一區(C25)構件計算配筋的面積(5 600 mm2)略微大于混凝土強度等級高的二區(5 600 mm2),但相差不大(1.02倍)。

由構件損傷檢查結果可知,一區和二區在大噸位荷載作用下,梁板均產生不同程度的裂縫和損傷,一區(C25)由于混凝土強度等級低于二區(C30)混凝土強度等級,一區的梁板構件損傷程度遠大于二區,這與建模驗算分析結果(相差不大)有出入。

6.2 構件開裂后承載性能分析

混凝土梁的受剪承載力計算公式為:

該式右側第一項為無腹筋梁(素混凝土梁)的受剪承載力,第二項是配箍筋后的受剪承載力提高值(而不是箍筋的受剪承載力)。對于配有腹筋的梁,箍筋限制了斜裂縫的開展,使混凝土剪壓區面積增大,提高了混凝土承擔的剪力。也就是第二項中有一部分屬于混凝土的作用。

斜裂縫出現后,梁中的混凝土已經失去抗剪能力,而箍筋對抗剪能力的貢獻需要借助于混凝土完成,此時抗剪能力已經比較弱。

因此在建模計算配筋面積相差不大的情況下,由于混凝土強度低會放大車輛荷載對構件損傷的影響程度,以至一區和二區在計算負彎矩筋面積相差不大的情況下,出現一區構件損傷遠遠大于二區的情況出現。

由于混凝土梁的受剪破壞為脆性破壞(破壞比較突然),建議應立即對出現斜裂縫的梁進行加固處理[5]。

6.3 板底混凝土裂縫及碎裂原因分析

該廠房一區、二區范圍內個別板底面混凝土有裂縫及碎裂。裂縫形態為網狀裂縫,網狀裂縫是板頂面作用荷載較大產生的受力裂縫。板在梁板交界處板底面混凝土產生破碎并出現漏筋現象,這種破碎是由于使用荷載過大引起的,車輛輪壓作用于梁板交界處板頂面,在該位置板中會有因剪力引起的剪應力和彎矩引起的壓應力,混凝土剪壓共同作用下產生了破碎。

6.4 鋼筋保護層厚度不足對結構的不利影響分析

1)鋼筋保護層厚度不足無法保證鋼筋與混凝土協同工作?；炷两Y構中,鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種不同材料組成的復合材料,兩種材料具有良好的黏結性能是它們共同工作的基礎。

2)鋼筋保護層厚度不足時,空氣中的有害氣體更容易到達鋼筋表面,引起鋼筋銹蝕。鋼筋裸露在大氣或者其他介質中,容易受蝕生銹;而銹蝕鋼筋的有效截面減少,會影響結構受力。

7 結語

1)本工業廠房一區下部平臺結構鑒定單元的安全性等級為四級(極不符合國家現行標準的安全性要求,已嚴重影響整體安全,必須立即采取措施)。二區下部平臺結構鑒定單元的安全性等級為三級(不符合國家現行標準的安全性要求,影響整體安全,應采取措施)。

2)廠房鑒定單元一區和二區在超載車輛運行后梁板構件均出現不同程度的損傷和裂縫,且危害嚴重的剪切裂縫居多;混凝土強度等級低的一區(C25)要比強度等級高的二區(C30)更嚴重。

3)經過建模分析計算在實際大噸位車輛荷載作用下,一區和二區的計算負彎矩筋面積要遠遠大于實際配筋面積(1.6倍)。一區(C25)和二區(C30)在混凝土強度等級不同的情況下,計算負彎矩筋面積幾乎相同。

4)在超載車輛運行后,構件會在負彎矩區域產生剪切裂縫,混凝土強度等級的降低會增大這種破壞效應。