某高层建筑屋顶钢桁架结构损伤检测与安全评价*

杨龙江，罗 强，汪训流，白伟亮,3，张瑞云，谢 齐,3

(1.中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100142； 2.中国核工业第二二建设有限公司，湖北 武汉 430050，3.中国电子工程设计院有限公司，北京 100142)

1 工程概况

某办公楼建筑为地下4层、地上18层框架核心筒结构体系，结构总高度为79m，出屋面幕墙高度为11.4m，出屋面幕墙支撑结构采用钢桁架体系。现业主发现钢桁架多处柱脚出现严重开裂，构件损伤程度已影响结构整体安全。由于钢桁架结构位于屋顶，相对地面高度达90m，一旦发生结构失效，幕墙会从高空坠落，不仅会造成经济损失，甚至可能造成人员伤亡，产生恶劣的社会影响。因此，需立即对钢桁架结构安全进行评估，找出结构损伤原因，并给出相应处理建议。

2 总体思路

根据本工程存在安全隐患的紧急情况，采用应急检查定性评估、详细结构检测与结构承载力验算相结合的方法进行结构安全评价。应急检查定性评估的作用在于排除危险，用最短的时间做出定性判断，指导下一步工作；详细结构检测是获取结构现状的重要手段，将检测得到的信息应用于结构承载力验算中，可定量判断结构构件承载力是否满足要求；将上述工作成果汇总，做出结构安全综合评价，进而找出结构损伤原因，给出处理建议，完成检测鉴定工作。具体工作流程如图1所示。

图1 检测鉴定流程

3 应急检查定性评估

应急检查定性评估的目的是在最短的时间内对结构安全状态做出判定，根据初步评估结果，确定是否需立即采取处理措施或直接进行拆除。应急检查定性评估工作十分关键，是保障结构安全、指导下一步工作的重要步骤。应急检查定性评估包括结构体系及损伤检查、危险点及程度判定，结合检查结果，通过工程经验进行结构安全状态评估，判断当前结构倒塌风险。

3.1 结构体系及损伤检查

1)结构体系检查 结合结构设计图进行现场结构体系检查，结果表明，结构受力、传力体系合理，现场施工与设计图纸基本符合。钢桁架平面近似呈C形(见图2)，总长约98.6m，宽约2.9m，结构高度为10.6m。单榀钢桁架采用方钢管与圆管焊接而成(见图3)，40榀钢桁架通过方钢管水平杆件连接成为空间结构，并间隔设置5处柱间支撑。

图2 钢桁架结构布置平面

图3 单榀桁架立面

2)损伤检查 结构损伤检查应明确构件损伤类型、损伤程度、损伤数量，结构典型损伤如图4所示。检查结果表明，本工程主要存在以下问题：①6处钢桁架柱脚出现严重开裂，裂缝宽度为0.5～13mm，裂缝长度为340～710mm；②约17处立柱柱脚砖砌柱墩开裂，对应柱脚底部钢材表面出现不同程度的锈蚀；③钢桁架柱顶封板设置成内凹型，所有封板均出现严重锈蚀，多处出现穿孔情况，从而导致立柱内部出现不同程度的积水；④少量杆件节点连接处焊缝开裂，局部范围出现点锈。

图4 结构典型损伤

进行损伤检查时，还对整体变形情况进行了检查，通过构件变形检测，判断结构是否出现了超出正常使用极限状态的变形。采用吊锤和钢直尺在柱顶对钢桁架立柱垂直度进行抽样检测。结果表明，所测38处立柱中，除1处安装偏差较大外，其余立柱变形均小于安装偏差要求。

3.2 危险点判定

对发现的损伤问题进行逐一分析，排除危险点的可能，最终确定可能存在的危险点，各问题分析如下。

1)柱脚砖砌柱墩开裂(后期使用过程中产生的损伤) 柱脚砖砌柱墩对钢柱起耐久保护的作用，对桁架结构受力不产生影响，不直接影响桁架整体结构安全。

2)封板不严(原结构施工阶段的质量瑕疵) 封板属于非受力构件，其作用仅为端部防雨盖板。

3)焊缝缺陷及锈蚀(原结构施工阶段的质量瑕疵) 该缺陷数量较少，对整体结构的影响较小。

4)钢桁架柱脚出现严重开裂(后期使用过程中产生的损伤) 柱脚节点是上部结构与主体高层结构的受力交叉点，受力大且集中，其安全性直接影响整体结构安全。

综上所述，认为该结构现存的直接危险点为钢桁架柱脚开裂。

3.3 倒塌判定

该结构体系基本合理，构件变形仅有1处不满足规范要求，钢桁架柱脚钢构件开裂比例仅为7.5%，开裂构件损伤程度虽较严重，但通过检查发现，损伤构件分布并无规律性，考虑到本工程为超静定空间钢结构体系，存在一定安全冗余，且开裂问题已存在多年，开裂处生锈未见新裂痕，因此判定：①该屋顶钢桁架结构短时间内倒塌的可能性较小，但存在明显安全隐患；②该结构如倒塌，需满足外力较大及承载力不足的条件，需彻底判定安全承载力情况，并进行进一步结构详细检测鉴定，同时为结构加固提供技术参数。

4 结构检测

既有建筑结构现场检测属于掌握结构现状变形与损伤和结构性能参数的环节[1]，本工程详细结构检测包括常规的检测项目，如构件截面尺寸检测、构件材料强度检测，主要与设计值进行复核，验证其是否符合规范要求[2-3]。同时，由于缺乏施工验收资料，增加了钢材化学成分分析和钢材力学性能试验，验证所用钢材本身是否存在缺陷。另外，进一步对结构损伤进行补充检查。

4.1 构件截面尺寸检测

采用钢卷尺、游标卡尺、超声测厚仪对钢桁架构件截面尺寸进行抽样检测。主要构件截面尺寸为：方钢管柱150mm×5mm(边长×壁厚)、方钢管柱150mm×6mm(边长×壁厚)、方钢管梁150mm×8mm(边长×壁厚)、圆管杆件114mm×4mm(直径×壁厚)、圆管杆件95mm×3.5mm(直径×壁厚)等。检测结果表明，所测50处构件中，除2处上斜杆壁厚偏差超过设计允许偏差19%外，其他构件截面尺寸符合设计要求。

4.2 构件材料强度检测

采用里氏硬度计对钢桁架构件材料强度进行抽样检测，结果表明，钢桁架构件均达到Q235钢材抗拉极限强度要求，满足设计要求。

4.3 钢材化学成分分析

现场取样送至实验室进行钢材化学成分分析，结果表明，所测钢材C，S，Mn，P，Si含量分别为0.20，0.017，0.39，0.030，0.17，符合要求。

4.4 钢材力学性能试验

现场取样对钢材力学性能进行试验分析，主要进行拉伸试验和冲击韧性试验。拉伸试验属于最常规的力学性能试验，在此基础上，结合现场发现的柱内积水现象，需验证钢材在低温环境下的变形性能，因此增加了冲击韧性试验。结果表明，所测钢材抗拉强度符合设计要求(见表1)；所测钢材冲击韧性在常温环境下符合要求，但在低温环境下衰减较明显，在-10℃时冲击韧性值低至5.0J/cm2(见表2)。

表1 钢材拉伸试验结果

表2 钢材冲击韧性试验结果

4.5 结构损伤详细检查

在初步结构损伤检查的基础上，重点检查钢柱底部开裂形态、裂缝特点。结果表明，钢柱底部呈脆性撕裂，断口未发现明显塑性变形，开裂基本出现在钢柱角部，自柱脚焊缝处向上发展；钢柱底部均出现膨胀、鼓曲现象，最大鼓曲率达17%。另外，对部分钢管底部进行钻孔，发现管内基本存在积水现象，最大积水深度可达1.5m。

5 结构承载力验算

结合现场实际检测结果(轴线、截面尺寸、材料强度等)，采用有限元结构分析软件Midas Gen对原有钢桁架(未考虑结构损伤)进行结构承载力验算，通过验算结果判断结构设计是否存在缺陷。由于幕墙相对地面高90m，因此正常使用情况下，风荷载作用是重点验算内容。本工程整体长度达100m，室外钢结构对温度作用较敏感，需补充验算温度作用的影响，本文主要考虑年温差影响[4]。验算时各参数具体取值如表3所示，模型如图5所示。

表3 承载力复核验算参数

图5 钢桁架有限元验算模型

5.1 风荷载作用

参考规范规定与相关文献[4-7]，将计算得到的风荷载依据钢桁架实际受力状态施加到节点上。首先计算得到wk=βzμsμzw0=1.52×1.3×2.02×0.45=1.80kN/m2，其中wk为风荷载标准值，βz为风振系数，μs为体型系数，μz为风压高度变化系数，w0为风荷载基本风压；然后得到各节点处等效荷载，按照风力不同的作用方向，分别施加等效节点荷载。当风力方向垂直于受风面时，受风投影面积最大，所求风力最大，分别按照垂直于钢桁架3个平面的6个方向进行风荷载作用施加(见图6)。

图6 风荷载作用方向示意

1)构件组合应力 在风荷载和结构构件自重荷载组合作用下，构件应力呈下大上小的规律，相对标高2.000m以下构件应力明显大于上部构件应力。除幕墙侧柱下部应力接近钢材强度设计值外，其他位置构件应力均较小，<100MPa，尚有一定安全储备，其中工况3构件应力验算结果如图7所示。

图7 工况3构件应力验算结果(单位：MPa)

2)构件变形 结构顶部变形最大，向下逐渐减小，均匀变化。本工程桁架结构高10.6m，顶点位移限值按照H/100考虑，H为桁架结构高度，即为106mm，6种工况结构顶部最大位移均满足要求，其中工况3构件变形验算结果如图8所示。

5.2 温度作用

本工程施工时间为夏季，按照北京夏季日平均最高气温35℃、冬季日平均最低温度-15℃进行验算。通过计算结果了解结构在温度荷载作用下的受力趋势，发现应力薄弱位置，综合判断温度作用影响[8]。验算结果如图9所示，由图9可知，桁架整体温度应力变化均匀，结构约束较强的位置应力较大，包括结构2个转角处及结构交叉斜撑两侧；少数构件最大应力达钢材屈服应力235MPa；沿桁架长度方向布置的横杆温度应力明显大于竖杆及其他杆件，最大应力达100MPa。结构承载力验算结果显示，原有钢桁架结构在风荷载作用下，结构应力与变形验算均满足规范要求；在温度作用影响下，结构应力变化均匀，未出现超限情况。

6 结构安全综合评价

根据以上现场检测与承载力验算分析结果，对本工程钢桁架结构进行安全综合评价，并进一步分析找出构件损伤原因，给出相应的处理建议。

6.1 结构安全评价

1)构件截面尺寸、构件材料强度、钢桁架柱垂直度基本符合设计要求。

2)钢材化学成分、钢材拉伸性能、常温下的冲击韧性均符合要求。

3)原有钢桁架结构在设计风荷载作用下，承载力满足规范要求；在温度作用下，结构应力合理。6处钢桁架结构损伤分布无明显规律，其余结构损伤对结构承载力的削弱作用较小。

综合评估认为，原结构安全性符合规范要求，损伤对结构有影响，但目前在可控范围内，须进行紧急修复加固处理，才可继续使用。

6.2 结构损伤原因分析

通过以上检测及验收结果，采用排除法进行分析，排除结构体系、构件截面尺寸、构件材料成分、强度、力学性能等设计或施工方面的因素，重新对钢柱底部开裂形态进行分析。结果表明，钢柱底部发生脆性撕裂，无塑性变形，均出现膨胀、鼓曲现象。结合钢材低温条件下出现韧性下降明显的试验结果，同时考虑柱内存在积水的情况，综合所有因素，认为钢柱底部开裂主要为柱内积水在冬季低温环境下发生结冰冻胀所致，其发展过程大致如下：①封板密封不严，柱管内常年积水，无法排除；②柱管内常年积水，无法排除；③冬季降温结冰，管壁体积膨胀；④常年应力无法释放，方钢管开始出现周向变形；⑤方钢管在角部出现应力集中，且此处为较薄弱部位；⑥Q235B钢构件在低温下出现韧性降低的冷脆性，钢管未能产生塑性变形，直接在角部出现脆性撕裂。

需指出，由水冻胀力导致的结构损伤为非结构受力因素，柱墩开裂同样是内部受到膨胀作用所致；钢柱底部开裂后，柱内积冰融化，钢柱表面出现锈蚀，防水卷材发生劣化。

6.3 处理建议

根据安全评价结果与损伤原因分析结果，有针对性地给出以下处理建议。

1)逐一检查，排出柱内积水，对发生锈蚀的钢构件进行除锈处理，更换柱顶封板，对已开裂钢柱进行裂缝修复处理，对出现裂缝的梁柱节点进行补焊。

2)对于承载力验算应力较大位置(主要集中在钢柱底部)的构件，酌情进行加固补强处理。

3)对现场检测截面尺寸不满足设计要求的构件进行补强。对于安装不满足要求的构件，可首先观测一段时间，根据观测结果决定是否采取措施。

4)更换老化的防水卷材，做好防水措施；加强巡查工作。

7 结语

1)高层建筑屋顶钢结构构筑物位于高空，受人为使用因素的影响较小，受自然力的破坏损伤情况较多，适当提高屋顶钢结构耐久可靠性，对于预防安全隐患具有重要作用。施工过程中应加强屋顶钢结构施工质量验收环节，提高施工质量，避免施工过程的瑕疵导致结构存在安全风险。

2)对于结构隐患的现场检查，应逐一检查损伤和质量缺陷，并判定损伤现象的产生是隐患产生的原因还是结果及在整个结构体系安全评估中所处阶段。该钢桁架结构封板密封不严是最根本的隐患之源，钢管柱内部雨水长年累积无法排除，冬季冻胀使局部受力过大，导致构件管壁开裂，隐患逐渐由多个构件承载力降低导致的结构整体可靠性降低，转为结构安全隐患。

3)本研究为安全隐患的准确判定、结构隐患排查及后续处理提供了参考，为类似钢桁架结构安全评价提供了经验，适用于工程领域其他需进行紧急安全评价的项目。准确掌控高层顶部构筑物隐患阶段和综合安全性，既是对生命安全的保障，也是对经济损失的挽回。