某大剧院钢结构检测鉴定

陈小杰 Chen Xiaojie 张方超 Zhang Fangchao 姚晓璐 Yao Xiaolu

0 引言

随着社会的发展，人们对文化的需求越来越高，对大剧院的空间要求也越来越高。尤其是舞台部分，由于布景的需要，空间布局复杂，且要考虑幕布、灯光的需要，一般都通过钢结构来实现。

钢结构的连接节点是保证结构安全的重要部分，一般通过高强螺栓连接或者焊缝连接，由于这部分均是在现场施工，若是管理不到位、施工质量不合格，会存在严重的安全隐患。本文将以某大剧院为例，对其钢结构进行检测鉴定，分析其连接节点螺栓断裂原因，并提出处理建议，为类似工程提供参考。

1 工程概况

某大剧院建于2010年，大剧院钢结构部分共包括舞台区域屋面网架、桁架以及观众厅屋面网架。其中，舞台屋面网架及桁架部分主要包括屋面网架、25～17.52m标高栅顶桁架、18.5m标高天桥、15m标高天桥和15m标高钢制码头；观众厅屋面网架部分主要包括18.25m标高转换层钢结构、17.3m标高台口单点吊钢平台、15.9m标高一道面光桥、15.6m标高二道面光桥、15.6m标高吊装支架梁平台和11.6m标高音响马道。

物业管理人员于2015年12月1日检修时发现，剧院舞台有螺杆掉落。2016年3月2日，施工单位派人检修，共更换了19颗螺栓。

2 现场调查

根据委托方要求，由我站检测鉴定人员进行现场查勘。剧院舞台钢结构网架平面尺寸2.4m×3.2m、高2.5m，支撑在周边混凝土上，支座布置于网架上弦，屋面采用檩条起坡，采用压型钢板混凝土屋面；观众厅屋面网架平面尺寸3.3m×3.2m、高3.6m，支撑在周边混凝土上，支座布置于网架上弦，屋面采用檩条起坡，采用压型钢板混凝土屋面（图1、2）。两处网架钢管均为Q345B无缝管；焊接钢板球、支座连接板、预埋钢板均采用Q345B；螺栓球为45号钢；紧固件螺栓采用Q235B，支座采用固定球铰支座。构件主材的工厂拼接及工地拼接焊缝均为一级焊缝，其余的对接焊缝按二级焊缝，角焊缝和非熔透焊缝按三级焊缝。钢结构构件采用抛丸除锈处理，除锈等级应达到 Sa2.5 级和 St3 级。

图1 舞台桁架布置情况

3 检测鉴定

根据房屋质量检测的相关规定，针对房屋的特点和实际状况，制定检测鉴定方案。因本次检测不同于常规混凝土结构、砖砌体房屋整体检测，根据钢结构网架及桁架材料性能、施工工艺、防火防腐等级，本次检测内容除进行建筑结构图纸复核测绘、房屋完损检测、房屋变形测量、材料强度检测等常规检测类型外，还应进行焊缝探伤、钢结构防腐涂料涂装检测、螺栓连接质量检测（螺杆化学元素分析、构件垂直度、支座沉降差异检测）等检测内容，再结合钢结构计算软件3D3S对该结构的复核计算，进行安全性分析，给出检测结论及建议。

3.1 焊缝探伤检测

在钢结构工程中，焊接技术是不可缺少的加工工艺之一，同时也是保持其强度和保证使用寿命的重要手段。因此，钢结构的焊接质量直接影响着钢结构的安全性[1]。

对舞台区域桁架平台钢结构的全熔透焊缝，分别抽取了6榀桁架上弦杆的24条对接焊缝、2榀桁架弦杆支座的8条熔透焊缝，以及9根钢梁与弦杆的对接焊缝（9条）；对观众厅区域屋面网架钢结构的焊接球焊缝，分别抽取了4个支座节点焊接球的弦杆和腹杆对接焊缝，4个下弦节点焊接球的弦杆和腹杆对接焊缝。超声探伤基本参数如表1、2所示。

结果表明，舞台桁架平台共检测了45条焊缝，发现10处焊缝存在超标缺陷，焊缝检测结果不合格；观众厅屋面网架焊接球共检测了60条焊缝，未发现超标缺陷，焊缝检测结果合格。

3.2 钢结构涂装检测

由于钢结构工程具有防火性差、钢材易于锈蚀等缺点，为了提高其耐火等级和耐腐蚀性，通常都采用在钢材表面涂刷防火涂料和防腐涂料的方法。但由于施工工艺、环境腐蚀等因素，导致涂层厚度不满足设计要求或涂层材料失去原有性能，进而部分或全部失去对金属材料的保护作用。因此，定期开展钢材的涂层检测，对维持钢结构的长期使用和降低因金属腐蚀导致的国民经济损失具有重大的现实意义。

表1 舞台桁架平台构件焊缝检测参数

表2 观众厅屋面网架焊缝检测参数

现场采用eXactoFN涂层测厚仪，参照《钢结构现场检测技术标准》（GB/T50621—2010）对观众厅屋面钢结构及舞台区域钢结构构件涂层厚度进行测量。结果表明，现场测量的26个构件中，共有9个构件的表面涂层厚度不符合设计要求。

3.3 螺杆连接质量检测

因物业管理人员于2015年12月检修时发现剧院舞台有螺母掉落，后经施工单位派人检修更换了19颗螺栓（图 3）。

3.3.1 螺杆化学元素分析

对舞台桁架连接螺栓进行现场取样，从舞台6榀桁架共取样9个螺栓，其中，6个螺栓为原有的，3个是新近更换。现场取样的螺栓中，取一个原有螺栓进行全元素化学分析，再取3个原有螺栓及3个新螺栓进行C、Si、Mn、Ti、B等5种元素的含量分析。

根据检测报告，螺栓全元素分析中定性的元素为：Fe、Mn、Si、C、Cu、Cr、Ti、Ni、Al、P、S、Co、Mo。

展现分享：鼓励学生主动介绍课前预习的相关成果，进行课题演示、分享个人观点，激发学生的学习热情，变被动学习为主动学习。教师在这个过程中重点听取和记录学生在预习中理解不透的知识点和疑问。

根据设计图纸及《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》（GB1231—2006）、《合金结构钢》（GB/T3077—1999），舞台桁架高强螺栓采用10.9s，螺栓直径为20mm，材料为20MnTiB，螺栓的元素含量分析结果见表3。检测结果表明，舞台桁架原有螺栓及新近更换的螺栓化学元素成分含量均满足规范要求。

3.3.2 螺栓连接质量检测

现场采用高强螺栓轴力扭矩复合测试仪对舞台桁架连接的高强螺栓连接状况进行了检测，对部分螺栓进行取样，并替换新的螺栓。检测发现，原有螺栓扭矩及预拉力基本符合规范要求，部分螺栓存在预拉力过大现象，部分螺栓螺杆有变形，无法将螺栓取出。

3.3.3 螺栓硬度检测

对现场取样的3个原有螺栓进行芯部硬度试验，检测结果见表4。结果显示，高强螺栓10.9S芯部洛氏硬度最小值为33HRC、最大值为39HRC，原有螺栓硬度平均值为37.3～38.0HRC，均符合高强螺栓10.9S的标准要求。

图3 舞台桁架部分螺栓更换

表3 螺杆化学元素含量检测结果（化学成分/%）

4 结构计算分析

根据现行国家规范《钢结构设计规范》（GB50017—2003），对舞台区域桁架平台钢结构、舞台区域屋面网架钢结构、观众厅区域屋面网架钢结构的构件承载力与变形进行验算。现对观众厅屋面钢网架计算进行介绍。

根据委托方提供的设计资料，观众厅屋面网架由上弦杆、腹杆、下弦杆、转换层和设备平台组成。采用3d3sV10.0计算软件建立计算模型，进行承载力验算。观众厅屋面网架各构件均采用梁单元模拟，材料特性均采用Q345B钢材，网架支座均采用铰支座，平面布置及计算模型如图4、5所示（由于部分杆件尺寸与设计不符，计算模型中杆件按照实测杆件尺寸进行计算，且计算中不考虑部分支座倾斜偏差等损坏）。

计算结果表明，观众厅屋面网架各构件的最大强度应力比为0.74，最大稳定应力比为0.83，均满足规范要求。

5 钢结构安全性分析

在不考虑构件变形、焊缝缺陷及螺栓等质量缺陷的情况下，根据实测构件截面尺寸，舞台桁架平台、舞台及观众厅屋面网架各构件的最大强度应力比和最大稳定应力比均满足规范要求。

（1）目前，网架存在的损坏现象不影响网架整体结构安全，但需要对弯曲变形的下弦杆进行更换，对支座倾斜移位、连接钢条断开（图6）及外观损坏的，需尽快对症处理。

表4 螺杆硬度检测结果

图4 观众厅屋面网架平台布置图(圆表示支座)

图5 计算简图(数字为节点号)

（2）舞台桁架螺栓连接及焊缝连接均为桁架节点连接部位，桁架本身存在明显的侧向弯曲及倾斜变形，对桁架的安全性有影响，存在一定的安全隐患，但未发现有明显的危险迹象，需要对螺栓及焊缝、桁架侧向弯曲变形等损坏现象尽快对症处理。

图6 屋面网架支座倾斜移位，连接钢条断开

6 结语

钢网架结构因其具有安全储备高、整体性和稳定性好、便于成批生产、现场施工速度快等优点，在大跨度体育馆、展览馆、大会堂、影剧院、车站、飞机库、厂房、仓库等建筑中广泛应用。但钢结构杆件和节点的尺寸偏差会使结构内部形成初始应力，因此，钢结构节点的可靠连接是结构安全的重要保证。本案例所介绍的钢网架结构的检测重点、结构复核计算、安全性评估等内容，对于类似工程检测项目具有参考和借鉴意义。