某柱面网壳结构钢渣堆放棚杆件变形分析与安全性评估*

朱震宇

(上海市建筑科学研究院有限公司，上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032)

0 引言

网架、网壳结构是受力合理、刚度大、质量小、制作安装方便的空间结构体系，在大跨度、大柱网公共建筑和工业建筑中得到广泛应用[1]。实际工程中，柱面网壳结构由于具有跨度大、净空高、满足仓储和作业空间需求等特点，成为大空间储料建筑的主要结构形式之一[2]，代表性工程实体包括扬州第二发电厂干煤棚[3]、台州电厂干煤棚[4]等。针对网壳结构设计，我国学者开展了大量研究工作[5-6]，这类建筑由于地面存在大量堆载，当地基未进行有效处理或堆载超载时，可能造成网壳支座沉降，导致上部结构变形与损伤[7]，部分学者提出了空间结构抗不均匀沉降的预控技术[8]。

以某柱面网壳结构钢渣堆放棚为工程实例，开展现场检测与损伤分析，评估支座沉降位移对网壳结构安全性的影响，并根据评估结果提出相应处理措施。

1 工程概况

某钢渣堆放棚主体为双层柱面网壳结构(见图1)，南、北侧山墙为网架(见图2)。室内堆放钢渣，堆场周边设置钢筋混凝土挡土墙。

图1 主体网壳布置

主体柱面双层网壳横向跨度76.20m，纵向长度128.00m。网壳东、西侧边缘相对标高均为0.500m，跨中上弦杆相对标高为27.500m，水平投影面积约9 753.6m2。网壳形式为正放四角锥网格，网格尺寸为4m×(4.193～4.775)m，网格高度由两端的2.752m逐渐增至跨中的2.947m。网格杆件为无缝钢管，强度等级为Q235B，杆件尺寸包括φ75.5×3.75，φ88.5×4.00，φ114×4.00，φ140×4.00，φ159×6.00。网格节点为45号钢制成的螺栓球，直径包括120，150，180，200，220，250mm。网壳为上弦杆支撑，东、西侧边缘的上弦杆螺栓球通过支座与混凝土基础连接。网壳支座为固定支座，通过锚栓与混凝土基础刚性连接。

山墙为扇形平面网架，东西宽76.20m，最大高度27.50m，立面面积约152.3m2。网架形式为正放四角锥网格，网格尺寸为3.00m×3.00m，网格高度为2.00m。网格杆件为无缝钢管，强度等级为Q235B，杆件尺寸包括φ75.5×3.75，φ88.5×4.00，φ114×4.00，φ140×4.00。网格节点为45号钢制成的螺栓球，直径包括120，150，220，250，280mm。山墙网架上边缘与主体网壳连接，下边缘通过支座与混凝土基础连接。网架支座为固定支座，通过锚栓与基础刚性连接。

网架支座基础结构形式均为桩承台，工程桩为高强度预应力混凝土管桩(PHC桩)，桩径为400mm，单桩竖向极限承载力标准值为660kN，单桩竖向承载力特征值为330kN。

室内堆场采用水泥土搅拌桩(湿法)复合地基，水泥土搅拌桩桩径为500mm，按1.5m×1.5m布桩，单桩竖向承载力特征值为210kN，复合地基承载力特征值为160kPa。

2 结构检测

2.1 结构布置

依据竣工图纸，对网壳、网架结构布置进行现场检测。结果表明，网壳、网架结构轴线尺寸、最大高度、网格尺寸等与竣工图纸相符。

2.2 构件截面尺寸

依据竣工图纸，对网壳、网架杆件外径及壁厚、螺栓球外径、平板支座平面尺寸和厚度等进行现场抽样检测。结果表明，主体网壳东、西侧靠近支座处的部分腹杆截面尺寸小于设计要求，山墙网架个别下弦杆截面尺寸小于设计要求，螺栓球尺寸满足设计要求，网架支座连接满足设计要求。

2.3 构件材料强度

采用里氏硬度计对网壳、网架杆件钢材强度进行现场检测。结果表明，构件材料强度满足设计要求。

2.4 杆件平直度

采用三维激光扫描仪对网壳、网架主要受力杆件平直度偏差情况进行现场检测[9]。根据JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》[10]，杆件轴线弯曲矢高允许偏差为L1/1 000(L1为杆件长度)，且应≤5mm。

根据现场检测结果(见表1)，主体网壳部分下弦杆、山墙网架部分上弦杆、部分腹杆平直度偏差较大，最大值为110mm，不满足《空间网格结构技术规程》有关要求。变形杆件大部分为山墙网架杆件，主要分布在山墙网架与主体网壳连接处及角部支座处(见图3)。

表1 部分挠度较大杆件平直度偏差值

图3 网架杆件变形

2.5 网壳整体变形

采用三维激光扫描仪对主体网壳跨中下弦杆球节点相对标高进行抽样测量，计算网壳跨中最高点下弦杆球节点竖向位移。根据检测结果，主体网壳整体挠度为L/38 100～L/1 656(L为横向跨度)，小于《空间网格结构技术规程》规定的最大挠度允许值(L/250)，满足要求。

2.6 支座水平位移

使用全站仪对支座水平坐标进行测量，根据测量结果分别计算主体网壳跨度方向支座相对距离和山墙网架底部支座相对距离。计算结果表明，主体网壳跨度方向支座相对距离整体上略小于设计值，最大偏差为-50mm，出现在主体网壳中部；山墙网架底部支座相对距离整体上略小于设计值，最大偏差为-23mm，出现在网架横向中部。网壳、网架支座整体上向建筑内部发生一定位移。

2.7 支座相对高差

使用水准仪对支座相对高差进行测量，根据测量结果反映支座基础不均匀沉降情况。结果表明，山墙网架支座沉降整体上大于主体网壳，主体网壳支座相对高差为-72～0mm，山墙网架支座相对高差为-86～-17mm；南、北侧山墙跨中支座沉降较大，同一轴线上的支座存在一定不均匀沉降，南、北侧山墙同一轴线上支座沉降差分别为-52，-66mm。

2.8 挡土墙变形

使用水准仪对挡土墙顶面相对高差进行测量，测量时在同一位置同时记录挡土墙顶面两侧相对高差，通过测量结果反映挡土墙不均匀沉降情况，并通过同一位置挡土墙顶面两侧相对高差计算挡土墙倾斜情况。测量结果表明，挡土墙顶面最大相对高差为-436mm，挡土墙整体不均匀沉降较大；沿主体网壳纵向的挡土墙最大相对高差为-360mm，沿山墙方向的挡土墙最大相对高差为-436mm；挡土墙整体上向室内堆场方向倾斜，计算得到的最大倾斜率为-2.733%，倾斜现象较明显；同一轴线上的墙体倾斜率不同，不同墙段在拼接处存在一定倾斜差，墙段拼接处两侧最大倾斜差为7.33%。

2.9 地坪相对高差

使用水准仪对挡土墙外侧通道地坪相同位置处宽度方向两侧(靠近挡土墙侧与靠近网架支座侧)的相对高差进行测量，通过测量结果计算挡土墙外侧地坪倾斜情况，测量结果含施工误差与测量误差。结果表明，挡土墙外侧通道地坪倾斜情况较严重，地坪靠近挡土墙侧普遍下沉，通道地坪宽度方向最大相对高差为-317mm；主体网壳纵向两侧通道的地坪倾斜率由中部向山墙两侧逐渐增大。

2.10 结构损伤

经现场调查，除杆件变形外，结构损伤主要表现为以下方面。

1)堆场四周挡土墙向内倾斜，不同墙段在拼接处错位，墙段互相挤压导致拼接处混凝土被压碎，如图4所示。

图4 墙段拼接处混凝土碎裂、剥落

2)墙体外侧局部出现竖向裂缝，裂缝宽度为0.5～1.5mm，主要分布在墙体转角处，由于墙体整体向内倾斜，墙体转角处应力集中，导致墙面混凝土开裂，如图5所示。

图5 墙体外侧混凝土开裂

3)挡土墙外侧通道地坪倾斜情况严重，靠近堆场方向普遍下沉，通道宽度方向中部普遍出现平行于挡土墙的裂缝，如图6所示。

图6 地坪下沉、开裂

4)山墙外围护墙与网架支座脱开，如图7所示。

图7 外围护墙与支座脱开

3 结构安全性评估

3.1 验算参数与模型

考虑房屋实际结构形式及使用荷载，依据规范要求，采用PKPM软件对房屋进行承载力验算。验算时考虑恒荷载、活荷载、风荷载、地震作用及温度效应，材料强度按原设计取值。考虑该网架支座已发生明显的不均匀沉降，支座位移按实测竖向位移输入，验算时分别建立无支座位移工况和支座位移工况模型，对结果进行综合分析。

3.2 验算结果与分析

结构安全性验算结果如图8所示，图中阴影部分表示承载力不足的杆件。由图8可知，无支座位移工况下，网壳、网架杆件强度应力比基本满足要求，个别截面尺寸小于设计要求的杆件稳定应力比不满足要求，最大稳定应力比为2.017；考虑网架支座沉降后，部分杆件出现承载力不足的现象，最大强度应力比为1.194，最大稳定应力比为3.786；承载力不足的杆件主要分布在两侧山墙网架与主体网壳连接处及支座处。

图8 结构安全性验算结果

3.3 支座基础承载力验算

计算得到网架支座最大竖向反力约为221.5kN，小于本工程采用的高强度预应力混凝土管桩单桩竖向承载力特征值，可知网架支座基础承载力满足要求。

3.4 堆场地基承载力验算

室内堆场采用水泥土搅拌桩(湿法)复合地基，地基承载力特征值为160kPa。堆场内钢渣容重为28.0～43.0kN/m3，堆放高度最高按5m计算，室内堆场地坪堆载为140～215kN/m2。验算结果表明，当钢渣容重较大时，室内堆场地坪堆载超过地基承载力。

4 结构损伤分析

综合现场检测和承载力验算结果，对结构损伤进行分析。

1)钢渣堆放棚出入口位于主体网壳纵向中部，为方便钢渣装卸存储，堆场山墙侧堆放钢渣的频率较高，山墙侧堆载通常大于中部堆载。根据验算结果，当钢渣容重较大时，室内堆场地坪堆载超过地基承载力。在室内堆场地坪堆载作用下，室内地基产生了相对较大的沉降，同时与室外地基形成了较大的差异沉降。

2)在堆场内、外地基差异沉降的作用下，堆场周围混凝土挡土墙产生了一定程度的整体变形，主要表现为：挡土墙不均匀沉降情况较严重，其中南、北侧沉降相对较大，符合场地堆载特征；挡土墙整体向堆场方向有较明显的倾斜，受挡土墙不均匀沉降和倾斜差的影响，挡土墙在墙段拼接处普遍出现错位和挤压情况，导致拼接处混凝土碎裂，保护层剥落；挡土墙顶部平台护栏变形，局部被拉断。

3)挡土墙外侧通道地坪受堆场内、外地基差异沉降的影响，整体倾斜情况较严重，靠近挡土墙侧地坪明显下沉；通道地坪普遍出现平行于挡土墙方向的裂缝。整体上，南、北侧通道地坪倾斜程度相对于东、西侧通道大；东、西侧通道地坪倾斜程度由钢渣棚入口向南、北侧逐渐增大，符合场地堆载特征。

4)受堆场地基沉降影响，网架支座基础产生了一定水平位移和不均匀沉降，其中，山墙网架支座基础沉降相对较大，表现为山墙侧外墙与网架支座柱墩脱开，符合场地堆载特征。根据验算结果，在支座位移的影响下，网架部分杆件出现承载力不足的现象，主要分布在山墙网架与主体网壳连接处及支座处，分布位置与现场检测发现的弯曲杆件位置基本吻合。

通过综合分析，钢渣堆放棚出现损伤的主要原因是室内堆场地基在堆载作用下产生了较大的沉降，同时堆场内、外地基存在较大的沉降差，最终导致上部结构变形与损伤。

房屋主体结构与山墙结构均为钢网架，网架结构中杆件几何尺寸和平直度(挠度)偏差对网架内力和整体稳定性具有较大的影响，钢渣棚现有变形与损伤对主体结构安全性具有一定影响，安全性不满足要求。

5 修缮改造措施

1)对山墙网架支座进行处理，减小下部地基不均匀沉降对上部网架结构的影响。

2)对山墙网架进行改造，使山墙结构与主体网壳结构进行柔性连接，释放山墙结构对主体网壳的竖向约束，避免山墙结构基础沉降使主体网壳结构产生附加应力。可将山墙结构改造为抗风柱结构体系，抗风柱通过弹簧片与主体网壳连接，可在释放竖向约束的同时，保证山墙风荷载有效传递。

3)对于实际截面尺寸不满足设计要求和已发生较大弯曲的杆件，需及时更换，重新安装。

4)尽量均匀堆放钢渣，避免集中堆载。

6 结语

1)本工程主体结构采用柱面双层网壳，山墙采用平面网架，部分杆件发生变形，对结构安全性造成一定影响，需进行修缮改造。

2)现场检测和承载力验算结果表明，室内堆场地基产生了较大的沉降，引起网架支座位移，最终导致杆件变形。

3)需采取一定措施对本工程进行修缮改造，如对山墙网架支座进行处理，以减小下部地基不均匀沉降对上部网架结构的影响；对山墙网架进行改造，以释放山墙结构对主体网壳的竖向约束，避免山墙沉降对主体结构造成影响。