某游泳馆钢屋盖检测及鉴定分析研究

2018-04-04李承铭

苏州科技大学学报(工程技术版) 2018年1期

方　林，李承铭

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200041）

1　工程概况

该游泳馆结构分为主体混凝土结构和屋盖钢结构两大部分。主体结构采用钢筋混凝土框架结构体系，屋盖钢结构的核心部分是一对82 m跨度的中央主桁架，由3根钢管组成空间桁架体系，主桁架和11榀单层横向杆系、边柱系共同组成完整的屋盖体系，最高处有21.356 m，最低处有5.4 m，如图1和图2所示。屋盖体系总体上属于空间钢管桁架体系，采用的钢管截面尺寸（外径×壁厚、单位：mm）包括273×8、457×10、610×16、711×16、711×20，钢管和钢板材质均采用低合金钢Q345C。钢屋盖结构采用钢管相贯焊接节点形式，焊缝均按全熔透焊缝进行施工。钢屋盖弦杆（等厚、不等外径）接长时采用对接焊缝连接。

图1　某游泳馆钢屋盖内景

图2　钢屋盖结构布置

游泳馆于2008年建成，近期在使用过程中，发现钢屋盖部分杆件连接节点局部区域防腐防火涂层开裂、起壳、剥落，钢材表面有锈蚀现象。

2　现场检测调查

2.1　结构布置、主要杆件截面尺寸复核

对游泳馆钢屋盖的结构布置现状进行了细致的调查和复核，并采用三维激光扫描仪（型号：Leica Scan Station C10）对钢屋盖进行了全景扫描，三维激光扫描仪效果图如图3所示。采用钢卷尺、卡规、超声波测厚仪以及三维激光扫描仪扫描结果对钢屋盖的弦杆、腹杆、横向杆系、支撑杆系等外径、壁厚进行了抽样检测与复核。检测结果表明：游泳馆钢屋盖结构布置与原设计图纸完全一致，钢屋盖所采用的钢管的截面尺寸与原设计图纸基本吻合，杆件外径和壁厚偏差均在规范允许范围内。

图3　三维激光扫描仪效果图

2.2　钢材强度检测

根据国家标准《金属材料里氏硬度试验》[1]及《黑色金属硬度及强度换算值》[2]，采用里氏硬度计对钢屋盖主要受力杆件的钢材强度进行了抽样检测。里氏硬度平均值在415～517之间，换算得到的抗拉强度值在484～778 MPa之间，钢材强度满足原设计Q345C的要求。

2.3　焊缝质量检测

根据国家标准《焊缝无损检测超声检测技术、检测等级和评定》[3]，采用超声波探伤仪对钢屋盖连接焊缝质量进行了抽样检测。原设计时，钢管桁架结构焊缝均按全熔透焊缝进行施工，支座节点的焊缝按一级焊缝标准进行检验及探伤，其余部分按一级焊缝标准进行制作，按二级焊缝标准进行检验及超声波探伤。检测结果表明，钢结构连接焊缝质量满足原设计要求。

2.4　涂层厚度检测

采用涂层测厚仪对钢屋盖杆件表面的涂层厚度进行了抽样检测。原设计时，钢结构表面防腐涂层底漆采用无机富锌涂料二道，干膜总厚度为160 μm；防火等级为一级，防火涂层厚度不详，根据《建筑钢结构防火技术规范》[4]规定，超薄型钢结构防火涂料涂层厚度小于或等于3 mm。

检测结果表明，杆件表面的涂层厚度在671～1 817 μm之间，涂层厚度较不均匀，总厚度值偏小。

2.5　钢屋盖损伤状况检测

现场对游泳馆钢屋盖的损伤状况进行了详细的检测调查，目前存在的损伤状况（见图4）主要为：（1）部分杆件连接节点区域防腐防火涂层开裂、起壳、剥落，剥落处钢材表面锈蚀现象普遍；（2）部分杆件表面涂层有流挂、龟裂、破损、受潮现象；（3）部分上弦杆与加强环角焊缝连接处，涂层起壳、剥落，钢材表面有锈蚀现象；（4）部分杆件及屋面金属板表面有漏水痕迹；（5）部分钢屋盖支撑钢柱外包混凝土开裂、脱落。除上述外，钢屋盖总体施工质量较好，防腐防火涂层无严重皱皮、流挂、粉化、失色、霉变、开裂、起壳、剥落现象，防腐防火涂层包覆完好位置的杆件无锈蚀现象，全熔透相贯焊缝饱满，钢屋盖主体结构完好无损。

2.6　钢杆件锈蚀情况检测

根据钢屋盖损伤状况检测结果，钢屋盖部分杆件连接节点局部区域防腐防火涂层起壳、剥落，钢材表面有锈蚀现象。为进一步了解钢材的锈蚀程度，现场采用超声波测厚仪对涂层剥落处杆件的壁厚进行了抽样检测，并与杆件未锈蚀位置的壁厚进行了对比，检测前采用砂轮对锈蚀位置进行了清理直至露出金属光泽。检测结果表明，涂层起壳剥落处钢材表面锈蚀，但锈蚀深度很浅，可不考虑对结构承载能力的影响。

3　抗震性能分析评估

该游泳馆为丙类建筑（标准设防类），抗震设防烈度为7度。根据上海市工程建设规范《钢结构检测与鉴定技术规程》[5]第7.5.13条规定，空间钢结构第一级鉴定应按照现行国家相应设计规范中关于结构的一般规定及抗震构造要求进行。第二级鉴定应按结构实际状态建立计算模型，按现行规定进行结构抗震验算。

游泳馆钢屋盖采用空间钢管桁架结构，按照国家标准《建筑抗震设计规范》[6]的有关章节规定对该钢屋盖结构进行抗震鉴定。

图4　钢屋盖损伤状况

3.1　抗震措施鉴定

根据国家标准《建筑抗震设计规范》[6]第10.2节有关规定，对钢屋盖进行抗震措施鉴定，主要鉴定内容包括屋盖及其支承结构的选型和布置、屋盖钢杆件的长细比限值、屋盖构件节点的抗震构造、支座的抗震构造等。抗震措施鉴定结果表明，游泳馆钢屋盖的各项抗震措施满足规范要求。

3.2　抗震承载力验算根据现场检测结果和原设计

有关图纸资料，结合房屋使用现状，对游泳馆钢屋盖的结构抗震承载力进行验算，计算采用北京迈达斯技术有限公司的通用结构分析与设计软件Midas Gen。根据国家标准《建筑抗震设计规范》[6]，钢屋盖阻尼比近似取0.03，地震作用考虑三向地震作用效应的组合，竖向地震影响系数取水平地震影响系数的65%。

本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，地震分组为第一组，场地类别为IV类。风荷载基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度为B类。现场检测结果表明钢材强度满足原设计材料强度Q345C的要求，结构承载力验算过程中材料强度取原设计值。

结合钢屋盖原设计有关图纸资料，屋面上主要考虑的恒载、活载等取值详见表1。马道、风道支架、幕墙荷载结合实际情况取值，并施加在相应位置的钢管桁架节点处。

经验算，该钢屋盖弦杆、腹杆、横向杆系等杆件的强度应力比、稳定应力比计算结果如图5所示。

表1　屋面上主要考虑的恒载、活载等取值

抗震承载力验算结果表明，钢屋盖杆件的长细比、强度应力比、稳定应力比、剪应力比均满足规范要求。钢屋盖结构变形图如图6所示，计算最大挠度发生在钢屋盖主桁架下弦中间位置，其值为91 mm，小于规范允许的限制l/250=52 910/250=211 mm（l为屋盖结构短向跨度），满足规范要求。

图5　钢屋盖组合应力比验算结果

图6　钢屋盖结构变形图（挠度）

4　分析与评估

4.1　锈蚀原因分析

钢屋盖部分杆件连接节点区域防腐防火涂层开裂、起壳、剥落，剥落处钢材表面锈蚀现象普遍，对钢屋盖结构的适用性和耐久性会产生严重的影响，分析其原因主要包括：

（1）涂层剥落、钢材表面锈蚀位置基本上都位于杆件焊接节点区域，可能是工地现场焊接部位及两侧一定范围，施工时未按照要求清除焊渣，表面处理未达到相应要求，未按设计要求方法用同种涂料补涂。

（2）游泳馆设计时，钢屋盖中间部位建筑上开创性的采用可开启的天窗（大窗与侧窗），形成自然采光和通风的效果，以节约能源并降低日常经营的费用；根据管理人员反映，游泳馆使用过程中，可开启的天窗基本未投入使用过，仅依靠位于场馆两侧的通排风系统，是否长期正常运行无法考证，可能会引起钢桁架空间范围内空气不流通、闷热、湿度大，恶化了钢结构的使用环境。

（3）由于游泳池消毒药品往往含有对钢材腐蚀性较强的氯离子，其挥发到空气中也会恶化钢屋盖的使用环境。