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关于某大型钢结构厂房工程结构的可靠性鉴定

发布日期:2020-07-22 09:33 浏览次数:

本文通过对某大型钢结构厂房工程结构现场调查,建筑结构布置复核,变形检测,材料强度检测,结构损伤检测,地基基础的尺寸埋深及材料强度检测,除尘系统烟囱需要穿越屋面可行性分析,对厂房总体使用性进行判断,通过数值分析进行安全性评级,最终进行了厂房可靠性评级鉴定并得出结论。对同行业大型钢结构厂房可靠性鉴定方法和技术路径有一定的参考价值。
1工程概述:
该厂房原建于1976年,1983年进行过扩建,主体结构为单层多连跨排架结构,屋面系统采用钢屋架和钢桁架檩条。本次拟新建高强平整线工程和拟新建高强横切线工程区域位于该厂房E-I/48-95轴线,该区域南北向总长552.00m,东西向总宽60.00m,轴线面积约33210m2。厂房内E-H/48-95轴线区域现有1#横切机组和H-I/48-95轴线区域现有2#横切机组,委托方拟在1#横切机组跨新建高强平整机组,拟在2#横切机组跨新建高强薄板横切机组。原1#横切机组跨有3台40t和1台30t桥式起重机,原2#横切机组跨有3台40t和1台30t桥式起重机,因本次新建高强平整机组和新建高强横切机组吊卷及设备检修需要,原1#横切机组跨拟新增1台50/10t和1台55/10t桥式起重机,原2#横切机组跨拟新增1台50/10t桥式起重机,同时新建高强平整机组和新建高强横切机组区域拟新增除尘系统,除尘系统烟囱需要穿越屋面系统。为进行改造,厂家需要进行厂房结构可靠性鉴定。
2调查、检测及分析结果
2.1使用情况调查
通过对现场调查,并结合委托方提供的信息,受检房屋自1976年设计建造以来一直作为生产车间成品库使用,1983年进行过扩建,扩建范围为87-95轴线区域,除此之外,该厂房未发生过火灾、使用荷载过大、结构大修等情况,周边也不存在基坑开挖等异常情况。拟新建区域局部已经停产闲置。
经现场调查,1976年设计建造区域主要采用混凝土格构柱+钢屋架体系和钢格构柱+钢屋架体系,其中E/48-70轴为钢格构柱,H-I/48-61轴为钢格构柱,E/70-87轴为混凝土圆管格构柱,H-I/61-87轴为混凝土圆管格构柱。1983年设计建造区域E-I/87-95轴区域为钢格构柱+钢屋架体系。
2.2 建筑结构布置复核

  1. 主要轴线尺寸检测。采用DISTO TM A8激光测距仪和5m钢卷尺对房屋主要轴线间距进行检测。检测结果表明,该厂房检测区域排架柱距为12m,跨度为30m。1976年设计建造区域的柱距和跨度与1983年扩建区域的柱距和跨度基本一致。
  2. 构件尺寸检测。采用激光测距仪、5M钢卷尺、游标卡尺、超声波测厚仪、电钻等仪器和设备对构件尺寸等进行检测及复核。混凝土格构柱的肢柱尺寸为500mm×100mm空心管柱,钢格构柱的肢柱尺寸为H500mm×350mm×10mm×14mm,吊车梁尺寸为H1500×540mm(上翼缘)×400mm(下翼缘)×14mm×20mm。
2.3 变形检测
现场采用TCR1202+R400型全站仪对受检厂房的倾斜情况和吊车梁的变形情况进行了抽查测量。测量结果表明,受检厂房柱南北向最大倾斜率为向北1.87‰,东西向最大倾斜率为向西2.21‰,均达到《工业建筑可靠度鉴定规范》(GB50144-2008)使用性评级为B级,倾斜率虽超过H/1250,但不影响吊车运行的要求。受检厂房抽查吊车梁跨度均为12m,其挠度值最大为5mm,均小于《钢结构设计标准》(GB50017-2017)中钢吊车梁挠度不应大于L/1000限值的要求。
2.4 主体结构材料强度检测
(1)混凝土碳化深度检测
现场采用酚酞试剂对该房屋部分混凝土构件的混凝土碳化深度进行测试。结果表明,所测混凝土构件均有一定碳化,混凝土碳化深度大于6mm。
(2)混凝土构件强度检测评定
采用回弹法检测混凝土强度,根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23-2011)对受检厂房基础短柱、混凝土柱、肩梁混凝土强度进行了回弹检测。根据《混凝土结构加固设计规范》(GB50267-2013)对龄期超过1000d,碳化深度大于6mm的回弹结果应进行龄期修正。根据现场调查,受检厂房1976年设计建造,龄期超过15000d,根据规范取修正值系数0.89。检测结果表明,受检厂房圆柱混凝土强度在45.7MPa -47.2MPa之间,推定强度为45.6MPa,受检厂房格构柱肩梁混凝土强度在20.6MPa -22.0MPa之间,推定强度为20.4MPa,受检厂房基础短柱混凝土强度在27.0MPa -30.1MPa之间,推定强度为26.2MPa。
(3)钢筋强度检测
现场根据钢筋实际情况,采用里氏硬度计进行抽样检测。检测结果表明,钢筋的平均里氏硬度值在414HLD-442HLD之间,对应抗拉强度值在482MPa-546MPa之间,达到HRB335级钢筋强度等级。
(4)钢材强度检测
现场根据钢构件实际情况,采用里氏硬度计,参照《钢结构现场检测技术标准》(GB50621-2010)和《金属材料·里氏硬度试验 第1部分:试验方法》(GB/T 17394.1-2014)进行钢构件强度现场抽样检测。检测结果表明:受检吊车梁钢材里氏硬度值在443HLD-455HLD之间,对应抗拉强度值在548MPa-582MPa之间,达到 Q345级钢强度要求,受检钢柱、柱间支撑、钢屋架等的里氏硬度值在356HLD-409HLD之间,对应抗拉强度值在379MPa-467MPa之间,达到 Q235级钢强度要求。
2.5 建筑结构损伤状况检测
为明确受检对象目前损伤状况,现场对受检房屋的损伤情况进行检测。检测结果表明,受检房屋目前主要存在:个别格构柱上部肩梁存在钢筋露筋现象,肩梁外露钢筋锈蚀较严重,个别格构柱分肢钢柱存在局部漆膜脱落锈蚀,个别格构柱分肢钢柱局部被撞变形,个别柱间支撑局部缀条与主肢脱开等损伤,屋架体系存在局部轻微锈蚀,钢吊车梁存在局部轻微锈蚀,个别部位漆膜起皮脱落。屋面彩钢板局部破损透光,局部地面面层破损严重等情况。除此之外,主体结构构件及连接节点基本完好,经开挖检测的基础短柱混凝土表面基本完好,未发现裂缝和腐蚀存在,开凿的混凝土柱、肩梁、基础短柱钢筋均较完好,未发现锈蚀现象。
2.6地基与基础
根据现场实际,对I72轴柱下基础进行开挖,地下水埋深为1.4m,开挖到5m处,挖机沿着短柱向下触探,未触碰到地下承台,挖机触探深度达到6m。因地下水位较高,周边均为设备基础,继续下挖必然导致大量抽取地下水。由于可供开挖的场地狭小,周边设备基础、地面设施等较多,无法采取截水和降水回灌等措施,为避免厂房周边建筑物及设备基础因大量降水出现下沉及对所开挖基础造成破坏停止降水开挖。因厂房设计建造已有40余年,为避免基础降水开挖对厂房及设备基础和周边设施造成不均匀沉降破坏,不建议对其他轴柱下基础开挖。
根据1983年扩建部分的基础施工图可见,地下Q3土层容许承载力达到450kPa。根据扩建施工图,I87线厂房基础为独立基础。独立基础持力层为Q3土层。根据1983年扩建部分基础施工图和1976年设备基础图中设备基础底面埋深判断,1976年原设计图中,厂房柱基础采用的杯口短柱独立基础,基底埋深大于临近的设备基础。根据委托方提供的设备基础图,设备基础埋深主要为4.0m、5.0m、7.8m、8.2m、9.5m,其中埋深为4.0m-5.0m的设备基础较多。设备基础图中个别柱基础与设备基础连接。根据设备基础图及1983年扩建部分的基础图判断,E线、H线、I线独立基础埋深主要为4.0m,特殊部位柱独立基础埋深主要根据设备基础埋深而定,柱独立基础埋深略大于临近的设备基础埋深。
根据现有1983年厂房扩建设计图纸和1976年设备基础施工图判断,E线、H线、I线独立基础基底主要埋深为4.0m。独立基础主要尺寸主要为6.0m×5.0m,短柱尺寸主要为3.0m×1.2m,双柱独立基础主要尺寸为6.0m×6.4m,双柱基础短柱截面尺寸主要3.0m×2.7m。另外,根据1983年原设计图纸和现场实际可见,厂房扩建部分柱采用H型钢格构柱,基础主要为灌注桩基础,灌注桩径800mm,桩长16m,桩尖在Q3土层内没有进入风化基岩,单桩允许承载力为1600kN,承台厚度2.0m,承台底面主要埋深为3.0m,基础顶部至地面钢柱采用100#混凝土包裹,基础、承台、灌注桩采用200#混凝土。1983年部分扩建图纸和1976年设计图纸部分独立基础剖面图详见附件2。
根据开挖的I72轴基础和外露的E55轴、H55轴、I55轴基础短柱可见,短柱保存基本完好,未发现裂缝和腐蚀存在。
2.7.除尘系统穿越屋面影响分析
    根据鉴定任务书,厂房E-I轴区域内要增设除尘系统,且除尘系统烟囱需要穿透屋面。根据现场实际,屋面板为单层彩色压型钢板,由钢桁架式檩条支撑,桁架式檩条支撑在钢屋架上。根据厂房屋面支撑系统的受力传递途径,烟囱修建时可在屋面开设相应尺寸洞口,将相应位置处出现檩条悬臂情况拆除即可,除尘系统穿越屋面对厂房主体结构基本无影响。但应注意修建除尘系统烟囱时,烟囱结构不应与屋面结构系统连接,在屋面开设洞口位置应采取有效的防水措施。
3分析及评定
3.1 承载力计算
(1)计算条件
App:本报告采用PKPMV4.3App建立合理的力学模型进行承载力计算,因鉴定范围为E-I跨,且E-I跨为厂房中间两个相连跨,为使两跨边柱及吊车梁受力传递途径符合现场实际状况,本报告建立力学模型时将鉴定范围两侧各外扩一跨,建立横向平面四跨排架模型进行承载力计算。
材性:根据现场检测结果和现有厂房局部图纸,吊车梁钢材强度等级采用Q345级钢,其他钢结构构件钢材强度等级全部采用Q235级,混凝土管柱混凝土强度等级采用C45,混凝土肩梁和基础混凝土强度等级均采用C20。受力主筋采用HRB335级热轧带肋钢筋,箍筋采用HPB235级光圆钢筋,以上材料强度设计值按照《混凝土结构设计规范》(50010-2010)(2015版)和《钢结构设计标准》(50017-2017)采用。
荷载:根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)和《建筑抗震设计规范》(50011-2010)(2016版)有关内容,屋面恒载取值为0.3kN/m2,屋面活载取值为0.3kN/m2,风荷载基本风压为0.35 kN/m2,基本雪压为0.5 kN/m2。厂房所在区域武汉市青山区地震参数:设防烈度为6度,基本地震加速度为0.05g,地震分组为第一组。根据覆盖层厚度及1983年扩建部分图纸中的基础设计说明中地基土承载力允许值和《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)中的有关内容判断场地类别为Ⅱ类。结构自重由App自动计算。
(2)钢柱承载力计算
典型构件计算结果表明:钢柱上柱最大的应力比为0.74,平面外长细比为94,钢格构柱最大稳定应力比为0.91,平面外长细比为39,肩梁强度应力比最大值为0.635,稳定应力比最大值为0.540,受剪应力比为0.516。钢柱和肩梁强度应力比和整体稳定应力比均基本满足现行《钢结构设计标准》(GB50017-2017)要求。
(3)混凝土管柱承载力计算
典型构件计算结果表明:上柱最大应力比为0.48,平面外长细比为94,钢柱整体强度应力比和稳定应力比均基本满足现行《钢结构设计标准》(GB50017-2017)要求。混凝土圆管格构柱计算配筋面积为1276mm2,小于圆管柱实际配筋面积4909 mm2,混凝土肩梁计算配筋面积为1662 mm2,小于实际配筋面积为1963 mm2,混凝土圆管柱和混凝土肩梁承载力基本满足《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)(2015版)的要求。
(4)吊车梁承载力计算
吊车梁采用Q345级钢材建立计算模型,典型吊车梁尺寸详见图9.3,桥式起重机布置平面图详见图3.4。计算结果表明:吊车梁上翼缘自由外伸宽度与其厚度的比为13.150 大于规范允许值7.428,吊车梁的上翼缘最大强度应力为635.429MPa,下翼缘的最大强度应力为240.824 MPa,整体稳定应力计算值677.081 MPa大于抗拉应力设计值295.000 MPa。上翼缘的强度和整体稳定均不满足《钢结构设计标准》(GB50017-2017)要求。
(5)地基基础承载力计算
根据现场基础开挖及部分图纸中得到信息建模计算。基础埋深统一取4.0m,基础分别采用独立基础和桩基础进行计算,独立基础尺寸取6000mm×5000mm,厚度取1000mm,地基承载力容许值(《工业与民用建筑地基基础设计规范》(TJ7-74))取450kPa,桩基础桩径取800mm,单桩承载力容许值(《工业与民用建筑地基基础设计规范》(TJ7-74))取1600kN,桩承台尺寸为取6000mm×5000mm,承台厚度取2000m。受检厂房1983年扩建图纸地基基础设计说明中的承载力容许值是《工业与民用建筑地基基础设计规范》(TJ7-74)中的提法,该规范1974年修编时,地基承载力取值定为浅层平板荷载试验中的比例界限内的直线段,即承载力容许值。1989年规范修编时,因荷载规范发生了重大变化,故89规范地基承载力表中的数据均人为放大(不超过1.25倍)。2002规范修订时,荷载规范将荷载组合改回了原来的组合,修订《地基基础设计规范》时,地基承载力取值方法改回了比例界线点。因此,《工业与民用建筑地基基础设计规范》(TJ7-74)中的承载力容许值相当于《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)规范中的地基承载力特征值。计算结果表明:典型排架格构柱基础的地基反力平均值为141kPa,小于地基承载力特征值450kPa(1983年承载力容许值),地基反力最大值为154kPa,小于1.2倍地基承载力特征值540kPa,有地震组合作用下单桩平均反力为766kN,小于1.25倍单桩承载力特征值2000kN,单桩最大反力为845kN,小于1.5倍单桩承载力特征值2400kN。无地震组合作用下,单桩反力平均值为1042kN,小于单桩承载力特征值1600kN,单桩反力最大值为1128kN,小于1.2倍单桩承载力特征值1920kN。计算结果满足《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)要求
(6)钢屋架承载力计算
根据现场实际,对受检厂房钢屋架进行了建模计算。屋架顶部为桁架式檩条,屋面恒活荷载全部由檩条支撑,由檩条传递到钢屋架节点上,因此屋面恒活荷载按节点集中力输入钢屋架。计算模型取典型区域钢屋架进行计算。计算结果表明,钢屋架杆件的最大应力比为0.8,其承载力满足屋架荷载要求。计算结果详见附件4构件应力比图。
4鉴定方法探讨
钢结构房屋结构形式有轻钢门式刚架、钢框架、钢排架、网架结构、网壳结构、索膜结构、拱结构、桁架结构及多种结构组合等,结构形式多种多样。针对每种结构形式给出相应的检测鉴定方法并不可取。建议检测工程师和项目负责人应按照国家出台的各项检测标准、鉴定标准、设计标准抓住各相关方重点关注内容开展检测鉴定工作。一是对轴线和构件尺寸进行测量,二是对构件材料强度进行检测,三是对整体变形情况进行检测,四是对钢构件的连接节点如焊缝、螺栓等开展检测,五是对构件和节点的完损状况开展检测,尤其漆膜和防火涂料应在检测之列。六是根据业主方要求,进行整体强度和稳定性验算。七是对实际检测结果给出结论。检测方法多种多样。
 


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