既有单层工业厂房安全性检测与分析
2018-11-19杨明飞
杨明飞，王 辛
(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.合肥建工集团有限公司，安徽 合肥 230088)
综合国内外研究表明，世界上经济发达国家的工程建设大体上都经历了3个阶段，即大规模新建、新建与维修改造并举和重点转向既有建筑的维修改造[1]。随着我国工程建设到了一定阶段，建筑结构的维修改造将成为主要的建设方式。我国现有大量的建筑结构，其性能已经出现严重退化，安全性也低于设计规范的要求，部分建筑结构功能相对于新的要求已经落后[2]。大量现存结构因性能退化面临着退役的威胁，并且新建工程费用高、周期长，而对既有建筑结构进行加固维修投资小、工期短。未来对既有建筑结构的改造利用仍是工程建设重点[3]，而建筑结构改造的前提是对其进行鉴定，然后根据鉴定结果采取相应的处理措施。以某单层工业厂房为例，对其进行安全性检测，同时得出了一些相关结论，为后续的同类工作提供了参考。
1 工程概况
1.1 项目现状
该项目位于淮南市某工业园。建筑为单层工业厂房，主体为钢结构，建筑面积4122.2 m2。接受检测委托后，按照现行《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB50144—2008)的要求对该建筑进行了安全性鉴定[4]。
1.2 整体外观检测
对该单层工业厂房进行外观检测，该厂房整体外观良好，无明显破损和不均匀沉降，如图1所示。厂房内部保存良好，钢构件无明显锈蚀倾斜现象，如图2所示。维护系统完整，满足使用要求。
图1 整体外观
图2 内部钢构件状况
图3 检测示意图
1.3 项目检测示意图
检测示意图如图3所示。
2 结构原位检测
2.1 构件垂直度检测
依据国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144—2008[4]和《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001[5]，对厂房内钢柱进行随机抽样，并使用全站仪测量厂房内柱底和柱顶坐标，并计算柱子垂直度偏差，经检测：厂房柱垂直度偏差，最大值为62.97 mm，最小值为4.00 mm，平均值为18.96 mm。
表1 构件垂直度检测数据
2.2 构件跨中挠度检测
依据国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144—2008[4]和《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001[5]，对厂房内钢梁进行随机抽样，并使用全站仪测量厂房内梁跨中和支座坐标，与设计图纸比对，计算出钢梁跨中挠度值，经检测：厂房梁跨中挠度，最大为值78.00 mm，最小值为10.00 mm，平均值为37.00 mm。
表2 钢梁挠度检测数据
2.3 构件外观检测
依据国家标准《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144—2008[4]和《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001[5]以及行业标准《钢结构现场检测技术标准》GB/T50621—2010[6]，对厂房内构件进行随机抽样，并依据相关规范、标准进行外观检测，典型构件外观检测如图4所示，构件满足构造要求，有轻微锈蚀，结合该工业厂房的用途及工作环境，初步判断属于大气腐蚀[7]，[8](P117)。焊缝及涂层状况良好，螺栓连接满足要求。维护系统中屋盖系统与围护墙体完整，满足使用要求。
图4 厂房A15柱
3 数值分析
3.1 静力分析
使用有限元软件ANSYS对该单层工业厂房进行分析，根据目前实测数据进行建模，并做荷载简化处理。梁柱等均使用beam188单元模拟。屋面板采用压型钢板，简化为质量点均匀作用于钢架梁上，质量点采用mass21单元模拟[9](P152)。模型选用双线性随动强化模型，材料属性按照现场测定数据定义，钢材采用Q235。静力荷载作用下，结构整体模型如图5所示，此时结构受力如图6所示。由图中可知，在静力荷载作用下，梁柱节点和柱脚部位应力较大，最大应力达到49.0 MPa，最大竖向变形为11 mm，满足静力承载及变形要求。
3.2 动力分析
模态分析是结构动力分析的基础，利用有限元软件进行模态分析，得到该结构前十阶模态如表3所示，图7给出了该结构的前四阶振型。
表3 整体结构自振频率
图5 有限元模型
图6 静力分析结果
图7 结构振型图
考虑到淮南地区7度抗震设防，结合现行《建筑抗震设计规范》GB50011—2010[10]，利用峰值加速度为220 gal的3条地震波(Elcentro波、Taft波和人工波)对结构进行三向激励，地震波时长20 s，结果显示该结构变形及强度均满足要求。以Elcentro波作用下，结构整体受力和顶点水平位移为例进行说明。由图8可见，在Elcentro波激励下，单层工业厂房的最大应力出现在柱脚处，应力值为195 MPa。图9中顶点最大位移为8.4 mm，层间最大相对弹塑性位移角为[1/1190]，满足GB50011—2010《建筑抗震设计规范》关于单层钢结构的弹性层间位移角[θe]=1/250的限值要求[10]。
图8 Elcentro波作用下结构整体受力
图9 顶点位移时程曲线
4 安全性鉴定
4.1 第一层次鉴定[构件安全性评级a、b、c、d]
钢结构构件鉴定结论：根据《工业建筑可靠性鉴定标准》第6.3节[4]，该单层工业厂房钢结构构件，整体垂直度偏差和挠度变化较小，基本满足相关规范要求，但个别构件表面出现锈蚀现象，因此安全性等级评定为b级。
4.2 第二层次鉴定[子单元安全性评级A、B、C、D]
承重结构子单元：依据《工业建筑可靠性鉴定标准》第7.2和7.3节[4]，该建筑物承重结构构件承载力满足要求，未出现明显变形，地基未发现不均匀沉降现象，因此承重结构子单元安全性等级评定为B级。
4.3 第三层次鉴定[鉴定单元(建筑)安全性评级一、二、三、四]
整体结构的安全性评定：综上所述，按照《工业建筑可靠性鉴定标准》的规定[4]，同时考虑到整栋建筑的承载能力、垂直度偏差、挠度和外观质量等问题，整体结构的安全性等级综合评定为二级。
5 结论
既有建筑的安全性检测是一项非常重要的工作，是建筑结构改造的前提，符合当前提出的全寿命周期设计的理念。以某单层工业厂房为例，经过多方面检测及数据分析，得出了以下结论：
1)该厂房整体外观良好，无明显破损。钢构件整体无明显锈蚀倾斜现象。但部分钢柱柱脚部位有锈蚀现象，初步判断是由于使用环境导致的大气腐蚀，具体腐蚀机理及对结构的影响需进一步展开研究。
2)承重结构未出现明显变形，构件承载力满足要求。维护系统完整，满足使用要求。地基未发现不均匀沉降现象。
3)使用有限元软件ANSYS可以有效校核检测数据，对该结构进行静力和动力分析，验证了结构的受力变形特征，结果表明该结构承载力及变形均满足现行规范要求。
4)综合测试和分析结果，单层工业厂房的安全性等级别评定为二级，结构的加固改造应在此基础上进行。
