常见网架(壳)破坏模式剖析与治理措施探讨★

李运军，谢 坚，裴 阳

(1.安徽中亚钢结构工程有限公司，安徽 合肥 230051;2.合肥水泥研究设计院有限公司，安徽 合肥 230051)

1 概述

随着计算机及空间网架设计软件的普及和发展，一大批空间网格结构特别是网架结构迅速拔地而起。工业建筑特别是水泥厂、钢厂、化工厂、电厂等充分利用设计快捷、加工标准化、运输效率高、施工安装方便、跨度大、选型灵活这些优点，把空间网架结构作为首选。

钢网架(壳)结构具有施工方便、周期短、跨度大等优点，近20 a在水泥行业中被广泛应用。石灰石预均化堆场、原煤预均化堆场、辅料堆棚、熟料、库包装站台、砂岩堆棚等等。然而，由于钢网架为空间杆件结构、屋面檩条系统为冷弯薄壁结构，正常情况下，钢结构在正常使用环境下6 a～8 a需要对其进行防腐防锈围护。但实际使用过程中，很多厂家基本没有做到基本的保养围护。使得网架(壳)往往在设计使用年限内，出现了部分构件或结构局部失效，使结构无法继续满足使用功能的要求。

网架(壳)失效后需重新对结构进行整体计算，然后针对性地提出加固方案。近年来，众多学者进行了关于网架加固方面的相关研究。聂祺等[1-2]采用预应力方法对一竣工于1996年的游泳馆屋盖进行了加固研究，屋盖原为正方四角锥螺栓球平板网架，采用预应力高钒索、支撑及套管集成加固方法，该方法无焊接作业，大大缩短了工期。黄亮[3]采用有限元方法研究了网架压杆套管加固设计方法，对网架整体模型进行了非线性屈曲分析，并研究了套管长度、套管厚度、分段套管、螺栓预紧力等参数对加固效果的影响。姜丽萍等[4-5]对卡箍套管加固网架杆件进行了轴压试验研究，得出了加固杆件的屈曲模态以及极限承载力，并将试验结果与理论计算结果进行了比较。

本文对水泥行业中网架(壳)的破坏模式进行总结，提出了土建支撑结构、杆件失效、螺栓失效和围护结构破损四部分内容，并提出了相对应的治理措施，为网架(壳)在水泥行业中的设计、建造和使用提供参考。

2 网架(壳)破坏模式

2.1 土建支撑结构损坏

水泥行业中，生产原料堆棚通常采用底部混凝土结构框架、上部钢结构网壳的结构体系。网壳与土建部分通过支座连接，网壳作为屋盖结构通过支座将荷载传递给梁柱，梁柱再传递给基础。此类工程中底部土建支撑结构的安全性与稳定性对整个结构来说是至关重要的。然而，由于车辆运输原料过程中，经常对混凝土结构柱与梁产生撞击，结构柱混凝土保护层脱落严重，钢筋直接裸露在空气中。作为网架支座支撑的结构梁跨中产生沿梁高贯通的多条竖直裂缝，致使结构梁失效，整个网架边界条件与设计边界条件不符，网架安全性能大大降低，如图1所示。

2.2 网架(壳)杆件失效

网架(壳)是由杆件与螺栓球节点通过高强螺栓连接的空间结构。杆件在设计中仅仅承受轴力，但是在实际加工、安装、使用过程中，各种原因造成杆件弯曲、大变形，使杆件在实际使用过程中承受次弯矩，使杆件发生更大的弯曲变形，从而降低网架(壳)整体承载能力。

除此之外，杆件由于加工的下料尺寸不准确或者安装过程中过大的变形，造成现场安装时杆件长度需要调整，有很多是将原杆件切断，调整到合适长度后采用对接焊缝进行连接，还有是很多杆件在加工厂对接。现实中发现对接焊缝连接处由于焊接质量不合格，杆件常发生断裂，致使杆件失效，使网壳各杆件的应力重分布，致使部分杆件超过原设计应力比，导致更多的杆件失效。图2示出了网架(壳)杆件常见的破坏模式。

2.3 螺栓失效

由于网架(壳)杆件的弯曲和断裂，导致部分杆件的受力状态由只承受轴力变成承受较大弯矩和剪力的复合受力构件，这时候部分螺栓的受力状态不仅仅是受拉，而是转化为了拉剪(压剪)状态。同时由于很多结构高强螺栓的设计是按照杆件的内力进行设计。杆件内力重分布后对应的内力可能远远大于所选用螺栓的承载力，致使许多高强螺栓直接被拉断，与之相连的杆件从螺栓球上脱落，螺栓被剪断，对网架(壳)的整体刚度和承载能力是致命性的破坏。图3示出了现场螺栓失效后的网架形态。

2.4 围护结构破损

网架(壳)的围护结构主要是檩条与压型钢板以及它们与主体结构的连接。围护结构是保证项目满足使用功能的关键因素之一，然而由于围护结构直接与雨水接触，常常发生锈蚀，见图4。容易发生锈蚀的部位是檩条以及檩条与压型钢板连接部位。锈蚀后的檩条截面有效面积减小，承载力降低。压型钢板与檩条连接处应力较大，锈蚀后的压型钢板常出现孔洞。同时压型钢板通过自攻螺钉与檩条连接，随着使用时间的增加，热胀冷缩，密封圈逐渐老化，自攻螺钉松动，屋面板被撕裂，发生漏水，漏水同时加速对主次结构损坏[6]。

压型钢板安装不合理，以及连接处破损，导致压型钢板脱落，围护结构出现缺口，如图5所示。压型钢板缺口处风荷载集中，形成的巨大风气流使得整体结构的风荷载体型系数发生巨大的改变。

3 治理措施

本节针对于网架(壳)中常见的问题，依托相关规范、力学原理以及工程经验，提出了相应的治理措施建议，以方便对结构局部损坏，不需重建的工程进行修复，节约资源。

3.1 土建支撑结构加固处理

针对于网架(壳)工程中混凝土柱与混凝土梁出现开裂、混凝土保护层脱落、钢筋裸露等问题，根据GB 50367—2013混凝土结构加固设计规范[7]对土建支撑结构进行加固处理。常用的加固方法有：增加截面加固法、置换混凝土加固法、体外预应力加固法、外包型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复核材加固法、预应力碳纤维复合板加固法、增设支点加固法等。图6列举了混凝土柱采用外包型钢加固的常用构造。

3.2 网架(壳)杆件治理

当杆件失效后，可通过对杆件进行加固使网架(壳)结构整体性得到保障。常用的杆件加固方法有：粘贴钢板法、套管加固法、置换杆件法、纤维布加固法等[8-11]。

粘贴钢板法通过黏接剂将薄钢板黏贴于构件表面。避免了焊接产生的残余应力和残余变形，通过提高杆件截面面积来提高极限承载力，但由于钢材易锈蚀，导致黏接剂易发生脱落。套筒加固法通过使用肋板将较大截面杆件焊接于原杆件之上，来实现杆件的加强。置换杆件法是直接将原锈蚀或损坏的杆件用强度更高、截面更大的杆件直接替换。纤维加固法则通过在受损构件表面粘贴纤维材料，使纤维与构件协同受力，提高杆件的承载力来实现对杆件的加固。

3.3 螺栓治理

1)由于螺栓被剪断而导致网架各杆件内力发生改变，被剪坏的螺栓采用新螺栓进行更换，螺栓规格和强度等级应根据相关杆件失效后网架(壳)模型与未失效模型分别计算，取包络值进行计算复核；2)大部分情况下被剪断的螺栓根本无法从螺栓球中取出，原有的螺栓孔无法使用，此时一般采用与设计原杆件等强的构件(角钢、槽钢等)替代原有杆件，替换构件与螺栓球焊接形式连接。

3.4 围护结构治理

因轻微生锈或撞击导致失效的檩条可以通过添加附加缀板的方法进行加固，具体有单侧添加缀板、双侧添加缀板、添加L型缀板等，缀板型式因檩条截面型式而定。研究表明：双侧斜撑式缀板加固方案不但能提高檩条屈曲承载力、改善稳定性，还能有效提高檩条在规范要求挠度限制范围内的承载能力[12-14]。但很多结构都是因为部分檩条锈蚀脱落了以后才考虑维修和加固，此时对檩条加固已没有任何意义，唯有对原有檩条拆除。压型钢板破坏后应及时更换，更换后彩钢板型号应与原彩钢板匹配，在彩钢板搭接处、彩钢板与采光板连接处可增设防水拉铆钉与檩条连接。已老化的防水密封带与防水螺钉应及时进行更换，更换黏接性能较高、耐候性及抗变形能力较强的防水材料，如丁基橡胶防水密封黏结带、硅酮耐候胶等。

4 设计注意事项与使用建议

本节结合前文对网架(壳)中常见破坏模式以及相应治理措施，提出以下建议：

1)土建基础或柱设计时应充分考虑车辆、堆料的冲击荷载，容易被撞击的部位设置防撞钢板，设计时考虑适量安全系数；使用中应将车辆运载工具避开混凝土柱与梁，同时在容易被碰撞的部位设置警戒色，避免对支撑结构造成破坏。2)网架设计时充分调研和理解业主方的使用意图，充分调研后期使用过程中所有可能使用的运输设备，留有足够的运行空间。3)网架(壳)设计时关键部位应做好防护，不仅仅考虑使用阶段的受力状况，同时也要考虑安装过程中的受力状况，按照内力包络的思想来配置关键部位的杆件和螺栓，安装网架时应制定合理的施工方案，避免杆件产生初弯曲；高强螺栓安装时应确保预紧力达到设计要求；当采用对接焊缝连接杆件时，应严格保证焊接质量，保证焊缝满足计算与构造要求。4)檩条、压型钢板等围护结构在使用中极易生锈与破损，设计时应合理考虑围护结构所受荷载；压型钢板固定时确保屋面彩板的固定位置，避免自攻钉直接在板子的波谷位置固定；使用过程中应定期对破坏的檩条与压型钢板进行更换或加固。5)网架(壳)是一个系统工程，设计、施工、使用密切联系，相互影响。本文仅列举了部分常见问题，更多的问题尚需根据具体项目具体解决。

5 结语

本文通过对水泥行业中网架(壳)中常见破坏模式进行了阐述与原因分析，并提出了相关的治理措施，旨在为网架(壳)在设计、施工和使用中提供参考。

1)土建基础支撑结构受运输影响，易出现混凝土结构被撞击而发生保护层脱落、钢筋裸露等问题，应及时进行加固和保护处理。2)由于加工、安装不合理等初始缺陷，网架(壳)杆件初偏心较大、杆件弯曲变形严重、对接杆件在对接部位断裂等应及时进行加固或更换。3)钢结构使用过程中没做过基本的围护，主结构、檩条等结构出现严重生锈现象，压型钢板出现严重锈蚀、漏水、脱落等状况。针对压型钢板漏水或锈蚀应及时更换或维修，越早越好，否则会对局部的檩条和主结构产生巨大影响。