空间网格结构挠度检测方法

2024-04-27张树勋李后军崔萌王宁

重庆建筑 2024年4期

张树勋，李后军，崔萌，王宁

（1 国家网架及钢结构产品质量检验检测中心，江苏徐州 221000；2 江苏贝思特建设科技有限公司，江苏徐州 221000）

空间网格结构是按照一定规律布置杆件，构件通过节点连接而构成的空间结构，具有结构性能良好、建筑造型效果佳、制造安装机械化程度高等优点，被广泛应用于各种工业与民用建筑，特别是大跨度结构，如体育场馆、候机厅、筒仓等。

挠度是空间网格结构的重要检测项目，是对设计和施工质量的综合反映。挠度过大会影响结构的正常使用性能，而且通过检测挠度的异常发展也能够及时发现空间网格结构存在安全隐患，避免事故的发生。GB 50205—2020《钢结构工程施工质量验收标准》等标准对挠度检测提出了技术要求，但相关标准对于挠度具体检测方法的表述不够明确。本文探讨了空间网格结构的挠度检测方法及应用实例，为类似结构挠度检测提供参考。

1 挠度检测方法

1.1 挠度的计算

根据JGJ 8—2016《建筑变形测量规范》，挠度是建筑的基础、构件或上部结构等在弯矩作用下因挠曲而产生的变形。对于空间网格结构，挠度一般是指在重力等作用下各节点在垂直方向上产生的相对位移量，反映了构件的弯曲程度。

根据《建筑变形测量规范》，构件的竖向挠度值f1按下列公式计算：

图1 中，AO 和BO 的连线，是在不考虑构件自重和外部作用力，仅在端部支撑出现不均匀沉降条件下构件所处的位置，连线上构件各点的标高可以看做是基准标高。检测点E 的基准标高EO 与实际位置E’之间的垂直距离即为该点的挠度1f。式（1）主要适用于两端铰接的线性构件挠度计算，并不完全适用于空间结构挠度的计算。对于网架网壳等空间结构，首先也需要确定检测点的基准标高，然后测量实际标高与基准标高的垂直距离即为挠度值。

图1 竖向挠度

1.2 基准标高的确定

由于支撑结构变形、施工偏差和基础不均匀沉降等的影响，网架支座之间会存在高差，进而影响到检测点的基准标高。检测点基准标高是以不受自重和任何外部作用力影响，只受支座高差影响的条件下，构件上各质点所处的位置为基准。对于基准标高的确定，文献[1-2]建议，对于各种类型的网架特别是拟夹层板及拟板法分析法设计的网架，可以采用空间杆系有限元法来确定。

本文建议采用结构设计软件来计算检测点基准标高，特别是对一些异形结构和复杂结构，能让计算结果更加准确和便捷。以3D3S 结构设计软件为例，把恒载取值和恒载自重系数均设为零，在结构计算模型中把存在相对高差的支座Z 向设置成弹性约束，并在该支座球节点施加适当的竖向节点荷载，使得支座节点位移与实际相对高差一致。对结构进行内力分析，查得各节点在恒载作用下的竖向位移值，即为各节点的基准标高。

1.3 检测点的布置

根据《钢结构工程施工质量验收标准》的规定，跨度24 m及以下钢网架、网壳结构，测量下弦中央一点；跨度24 m 以上钢网架、网壳结构，测量下弦中央一点及各向下弦跨度的四等分点。这里的等分点指的是下弦跨度的等分点，而不是整个网架结构的下弦等分点。在实际工程检测中，应结合结构布置情况选取测量点，测量点布置应能反映变形情况，对于悬挑长度较大的网架，宜增加悬挑端部检测点。

1.4 测量方法

挠度检测通常用水准测量方法和全站仪法。水准测量方法常用在的高度不大的小型网架上，可以用上部带有环形铁钩的钢丝下挂钢直尺和配重，配合水准仪进行检测。检测时把铁钩挂在靠近球节点的杆件上进行水准测量。对检测结果进行数据处理时，要考虑杆件直径的影响。

全站仪法应用范围较广，使用较方便。对于新建网架，可以在球节点水平中心位置做好观测标志，直接检测球心高程。对于已建成的网架，可以通过球壳拟合的方法得到球节点的中心高程[3]；在已知螺栓球切削面高度时，也可以检测螺栓球底平面高程[4]。对于使用周期较长的在役网架，在球节点或者杆件水平中心位置会形成明显的灰尘分界线，可以选取合适的位置利用灰尘分界线作为观测点进行检测。

1.5 检测结果的判定

对于新建工程，按照《钢结构工程施工质量验收标准》的规定，钢网架、网壳结构总拼完成后及屋面工程完成后应分别测量其挠度值，且所测的挠度值不应超过相应荷载条件下挠度设计值的1.15 倍。目前大部分钢结构设计图纸没有给出挠度设计值，在检测前应请设计单位提供挠度设计值。部分检测机构以JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》给出的允许挠度值进行结果判定，这是不妥的，允许挠度值是空间网格结构在恒荷载和活荷载标准值作用下的最大挠度值，是对结构设计的统一要求。挠度设计值，是对特定工程结构模型仅在相应恒载作用下进行位移计算得出的挠度值。挠度设计值可能会比允许挠度值小得多。因此，对于新建网格结构挠度检测，用挠度允许值进行判定不符合规范要求。对于在役工程可靠性鉴定，挠度检测应按照GB 50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》和GB 50144—2019《工业建筑可靠性鉴定标准》等标准的要求进行判定。

2 工程实例

某加油站屋面罩棚，采用正放四角锥螺栓球节点网架结构，建筑面积约1 680 m2。下弦柱点支承，柱距为14 000×18 200（13 000）mm，最大悬挑长度7 400 mm，彩色压型屋面板。网架最小厚度为1 300 mm，最大厚度为1 650 mm，柱高约为8 300 mm。

该网架最大跨度不超过24 m，挠度检测点选取每跨下弦中央一点（检测点9、10、11），考虑悬挑长度相对较大，增加悬挑端部检测点（检测点12、13、14、15）。支座编号及测点布置见图2。

图2 支座编号及测点布置

利用全站仪检测支座和各检测点球心高程，并以支座Z5 标高为基准，计算各节点与支座Z5 的实际相对高差，检测及计算结果见表1。

表1 挠度计算表（单位：mm）

采用3D3S 结构设计软件计算检测点基准标高，同样以支座Z5 为基准，在结构模型中把其余各支座Z 向设置成弹性约束，并在各支座球节点施加竖向节点荷载，节点荷载取值为：支座刚度*实际高差（相对于支座Z5）进行内力分析，检查发现支座节点位移与实际高差一致，并可以查得各测点的竖向位移即为基准标高计算值，计算结果见表1。

各测点相对于支座Z5 的实际高差减去基准标高计算值，即得到该测点的挠度值。从表1 中的挠度值计算结果可以看出，该网架横向呈现两侧下挠、跨中上挠的状态。下弦中央处的挠度值并非是结构挠度的最大值，悬挑端挠度较大，而且远大于挠度设计值的1.15 倍。