空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)撓度檢測(cè)方法

張樹勛，李后軍，崔萌，王寧

（1 國家網(wǎng)架及鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇徐州 221000；2 江蘇貝思特建設(shè)科技有限公司，江蘇徐州 221000）

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是按照一定規(guī)律布置桿件，構(gòu)件通過節(jié)點(diǎn)連接而構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)性能良好、建筑造型效果佳、制造安裝機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)與民用建筑，特別是大跨度結(jié)構(gòu)，如體育場(chǎng)館、候機(jī)廳、筒倉等。

撓度是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的重要檢測(cè)項(xiàng)目，是對(duì)設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的綜合反映。撓度過大會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能，而且通過檢測(cè)撓度的異常發(fā)展也能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在安全隱患，避免事故的發(fā)生。GB 50205—2020《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)撓度檢測(cè)提出了技術(shù)要求，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于撓度具體檢測(cè)方法的表述不夠明確。本文探討了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的撓度檢測(cè)方法及應(yīng)用實(shí)例，為類似結(jié)構(gòu)撓度檢測(cè)提供參考。

1 撓度檢測(cè)方法

1.1 撓度的計(jì)算

根據(jù)JGJ 8—2016《建筑變形測(cè)量規(guī)范》，撓度是建筑的基礎(chǔ)、構(gòu)件或上部結(jié)構(gòu)等在彎矩作用下因撓曲而產(chǎn)生的變形。對(duì)于空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，撓度一般是指在重力等作用下各節(jié)點(diǎn)在垂直方向上產(chǎn)生的相對(duì)位移量，反映了構(gòu)件的彎曲程度。

根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》，構(gòu)件的豎向撓度值f1按下列公式計(jì)算：

圖1 中，AO 和BO 的連線，是在不考慮構(gòu)件自重和外部作用力，僅在端部支撐出現(xiàn)不均勻沉降條件下構(gòu)件所處的位置，連線上構(gòu)件各點(diǎn)的標(biāo)高可以看做是基準(zhǔn)標(biāo)高。檢測(cè)點(diǎn)E 的基準(zhǔn)標(biāo)高EO 與實(shí)際位置E’之間的垂直距離即為該點(diǎn)的撓度1f。式（1）主要適用于兩端鉸接的線性構(gòu)件撓度計(jì)算，并不完全適用于空間結(jié)構(gòu)撓度的計(jì)算。對(duì)于網(wǎng)架網(wǎng)殼等空間結(jié)構(gòu)，首先也需要確定檢測(cè)點(diǎn)的基準(zhǔn)標(biāo)高，然后測(cè)量實(shí)際標(biāo)高與基準(zhǔn)標(biāo)高的垂直距離即為撓度值。

圖1 豎向撓度

1.2 基準(zhǔn)標(biāo)高的確定

由于支撐結(jié)構(gòu)變形、施工偏差和基礎(chǔ)不均勻沉降等的影響，網(wǎng)架支座之間會(huì)存在高差，進(jìn)而影響到檢測(cè)點(diǎn)的基準(zhǔn)標(biāo)高。檢測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)標(biāo)高是以不受自重和任何外部作用力影響，只受支座高差影響的條件下，構(gòu)件上各質(zhì)點(diǎn)所處的位置為基準(zhǔn)。對(duì)于基準(zhǔn)標(biāo)高的確定，文獻(xiàn)[1-2]建議，對(duì)于各種類型的網(wǎng)架特別是擬夾層板及擬板法分析法設(shè)計(jì)的網(wǎng)架，可以采用空間桿系有限元法來確定。

本文建議采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件來計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)標(biāo)高，特別是對(duì)一些異形結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能讓計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確和便捷。以3D3S 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件為例，把恒載取值和恒載自重系數(shù)均設(shè)為零，在結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中把存在相對(duì)高差的支座Z 向設(shè)置成彈性約束，并在該支座球節(jié)點(diǎn)施加適當(dāng)?shù)呢Q向節(jié)點(diǎn)荷載，使得支座節(jié)點(diǎn)位移與實(shí)際相對(duì)高差一致。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析，查得各節(jié)點(diǎn)在恒載作用下的豎向位移值，即為各節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)標(biāo)高。

1.3 檢測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，跨度24 m及以下鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，測(cè)量下弦中央一點(diǎn)；跨度24 m 以上鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，測(cè)量下弦中央一點(diǎn)及各向下弦跨度的四等分點(diǎn)。這里的等分點(diǎn)指的是下弦跨度的等分點(diǎn)，而不是整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的下弦等分點(diǎn)。在實(shí)際工程檢測(cè)中，應(yīng)結(jié)合結(jié)構(gòu)布置情況選取測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)布置應(yīng)能反映變形情況，對(duì)于懸挑長(zhǎng)度較大的網(wǎng)架，宜增加懸挑端部檢測(cè)點(diǎn)。

1.4 測(cè)量方法

撓度檢測(cè)通常用水準(zhǔn)測(cè)量方法和全站儀法。水準(zhǔn)測(cè)量方法常用在的高度不大的小型網(wǎng)架上，可以用上部帶有環(huán)形鐵鉤的鋼絲下掛鋼直尺和配重，配合水準(zhǔn)儀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)把鐵鉤掛在靠近球節(jié)點(diǎn)的桿件上進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，要考慮桿件直徑的影響。

全站儀法應(yīng)用范圍較廣，使用較方便。對(duì)于新建網(wǎng)架，可以在球節(jié)點(diǎn)水平中心位置做好觀測(cè)標(biāo)志，直接檢測(cè)球心高程。對(duì)于已建成的網(wǎng)架，可以通過球殼擬合的方法得到球節(jié)點(diǎn)的中心高程[3]；在已知螺栓球切削面高度時(shí)，也可以檢測(cè)螺栓球底平面高程[4]。對(duì)于使用周期較長(zhǎng)的在役網(wǎng)架，在球節(jié)點(diǎn)或者桿件水平中心位置會(huì)形成明顯的灰塵分界線，可以選取合適的位置利用灰塵分界線作為觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。

1.5 檢測(cè)結(jié)果的判定

對(duì)于新建工程，按照《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，鋼網(wǎng)架、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)總拼完成后及屋面工程完成后應(yīng)分別測(cè)量其撓度值，且所測(cè)的撓度值不應(yīng)超過相應(yīng)荷載條件下?lián)隙仍O(shè)計(jì)值的1.15 倍。目前大部分鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙沒有給出撓度設(shè)計(jì)值，在檢測(cè)前應(yīng)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)單位提供撓度設(shè)計(jì)值。部分檢測(cè)機(jī)構(gòu)以JGJ 7—2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》給出的允許撓度值進(jìn)行結(jié)果判定，這是不妥的，允許撓度值是空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在恒荷載和活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的最大撓度值，是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一要求。撓度設(shè)計(jì)值，是對(duì)特定工程結(jié)構(gòu)模型僅在相應(yīng)恒載作用下進(jìn)行位移計(jì)算得出的撓度值。撓度設(shè)計(jì)值可能會(huì)比允許撓度值小得多。因此，對(duì)于新建網(wǎng)格結(jié)構(gòu)撓度檢測(cè)，用撓度允許值進(jìn)行判定不符合規(guī)范要求。對(duì)于在役工程可靠性鑒定，撓度檢測(cè)應(yīng)按照GB 50292—2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50144—2019《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行判定。

2 工程實(shí)例

某加油站屋面罩棚，采用正放四角錐螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，建筑面積約1 680 m2。下弦柱點(diǎn)支承，柱距為14 000×18 200（13 000）mm，最大懸挑長(zhǎng)度7 400 mm，彩色壓型屋面板。網(wǎng)架最小厚度為1 300 mm，最大厚度為1 650 mm，柱高約為8 300 mm。

該網(wǎng)架最大跨度不超過24 m，撓度檢測(cè)點(diǎn)選取每跨下弦中央一點(diǎn)（檢測(cè)點(diǎn)9、10、11），考慮懸挑長(zhǎng)度相對(duì)較大，增加懸挑端部檢測(cè)點(diǎn)（檢測(cè)點(diǎn)12、13、14、15）。支座編號(hào)及測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖2 支座編號(hào)及測(cè)點(diǎn)布置

利用全站儀檢測(cè)支座和各檢測(cè)點(diǎn)球心高程，并以支座Z5 標(biāo)高為基準(zhǔn)，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)與支座Z5 的實(shí)際相對(duì)高差，檢測(cè)及計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 撓度計(jì)算表（單位：mm）

采用3D3S 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)標(biāo)高，同樣以支座Z5 為基準(zhǔn)，在結(jié)構(gòu)模型中把其余各支座Z 向設(shè)置成彈性約束，并在各支座球節(jié)點(diǎn)施加豎向節(jié)點(diǎn)荷載，節(jié)點(diǎn)荷載取值為：支座剛度*實(shí)際高差（相對(duì)于支座Z5）進(jìn)行內(nèi)力分析，檢查發(fā)現(xiàn)支座節(jié)點(diǎn)位移與實(shí)際高差一致，并可以查得各測(cè)點(diǎn)的豎向位移即為基準(zhǔn)標(biāo)高計(jì)算值，計(jì)算結(jié)果見表1。

各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于支座Z5 的實(shí)際高差減去基準(zhǔn)標(biāo)高計(jì)算值，即得到該測(cè)點(diǎn)的撓度值。從表1 中的撓度值計(jì)算結(jié)果可以看出，該網(wǎng)架橫向呈現(xiàn)兩側(cè)下?lián)稀⒖缰猩蠐系臓顟B(tài)。下弦中央處的撓度值并非是結(jié)構(gòu)撓度的最大值，懸挑端撓度較大，而且遠(yuǎn)大于撓度設(shè)計(jì)值的1.15 倍。

3 結(jié)語

通過撓度值來檢驗(yàn)施工質(zhì)量或評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件能否繼續(xù)承載，具有很高的實(shí)用價(jià)值。在工程實(shí)踐中，撓度檢測(cè)應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)布置情況和特點(diǎn)，選取合適的撓度檢測(cè)點(diǎn)。利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件可以更為準(zhǔn)確地計(jì)算檢測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)標(biāo)高，再結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)情況采用合適的檢測(cè)方法，可以較為準(zhǔn)確地檢測(cè)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)撓度值，為工程質(zhì)量評(píng)定提供可靠依據(jù)。