网架屋盖结构钢管焊缝断裂对网架安全性的影响分析

张兆亮，李 洋

（建研院检测中心有限公司，北京 100029）

0 引言

大跨网架结构具有质量轻、体型大等特点。由于屋面面积大，雪灾天气中极易在不均匀积雪作用下发生结构破坏[1]。2021年11月长春突降强暴雪天气，局部积雪已经达到1m左右。该地区某厂房的网架屋盖结构由于屋面积雪过厚，导致2根中间层钢管（腹杆）与下弦球节点的焊缝发生严重开裂，连接处完全脱开。为了了解单根钢管断裂是否影响网架整体安全性的问题，防止屋盖坍塌破坏，对该厂房进行了检测鉴定。

1 工程概况

该工业厂房为地上1层钢结构，屋盖采用采用斜放四角锥焊接空心球节点钢网架，支撑方式为周边支撑，该网架结构整体由1轴~28轴的单元1、28a轴~52轴的单元2和52a轴~72轴的单元3组成，网架南北总长154m，东西总长494m，网架覆盖总面积70196m2，网架与钢柱通过垫片和4颗高强螺栓连接。整栋厂房共采用了44447根钢管以及13453个网架球节点并通过焊接安装。

2 现场检测

根据相应的检测规范对该工业厂房进行现场检测。

2.1 结构体系及平面布置核查及网架质量外观检查

外观检测应注意以下6点：①现场检查未发现工厂结构体系及平面布置与竣工图纸存在明显不一致的情况；②现场检查发现2根腹杆与焊缝处断裂。③现场检查发现3根腹杆存在严重弯曲的现象。④个别网架球节点和个别网架钢管防腐涂层局部发生脱落、并存在锈蚀的现象，极个别网架荷载未悬挂在节点上。⑤网架下弦球节点与钢管间连接焊缝处普遍存在未焊满、焊渣未清理、防腐涂层脱落并伴随锈蚀的现象。⑥现场检查未发现支座存在明显滑动位移，但检测中发现个别支座节点板存在垫片翘曲、破损、锈蚀、支座与柱顶连接板脱开、螺母缺失的现象。

2.2 网架整体挠度检测

采用全站仪对工厂网架结构变形情况进行抽样检测，检测工作按照《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）[2]中的有关规定执行，部分检测结果见表1。

表1 网架挠度检测结果

依据《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB 50144—2019）[3]的要求，网架屋盖结构挠度允许值为L/250，检测结果表明，所测网架整体挠度为L/140000～L/365，网架整体挠度均满足规范要求。

2.3 网架钢材强度检测

根据结构竣工图纸，工厂的网架钢管采用了Q235-B（规格型号为φ60mm~φ219mm）和Q345-B（规格型号为φ245mm）2种强度的钢管。根据现场实际情况，为减少对主体结构的损伤，采用里氏硬度计对钢管的钢材强度进行检测，检测工作按照《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344—2019）[4]的有关规定执行，部分检测结果见表2。

表2 规格型号为φ60mm~φ219mm的钢管强度检测结果

按照《建筑结构检测技术标准》（GB/T 50344—2019）附录N的要求进行钢材强度换算及评定。检测结果表明，所测规格型号为φ60mm~φ219mm钢管的抗拉强度特征值的平均值为388MPa，符合设计钢材强度等级Q235-B对应抗拉强度标准值（370MPa～500MPa）的要求；所测规格型号为φ245mm钢管的抗拉强度特征值的平均值为475MPa，符合设计钢材强度等级Q345-B对应抗拉强度标准值（470MPa～630MPa）的要求。

2.4 网架钢材截面尺寸检测

采用钢卷尺、游标卡尺、超声波金属测厚仪对网架钢管的截面尺寸进行抽样检测，检验工作按照《钢结构现场检测技术标准》（GB/T 50621—2010）[5]的有关规定执行，部分检测结果见表3。

表3 网架钢管外径和壁厚检验结果

根据《直缝电焊钢管》GB/T 13793—2016[6]的规定，当钢管外径D＞50mm时，钢管外径D允许偏差取±1.0%D；当钢管壁厚＞1.5mm时，钢管壁厚t的允许偏差取±10%t。检测结果表明，所抽检网架结构的200根钢管的截面尺寸中，有189根钢管外径符合设计要求，有6根钢管外径小于设计要求，有5根钢管外径大于设计要求；有196根钢管壁厚符合设计要求，有2根钢管壁厚小于设计要求，有2根钢管壁厚大于设计要求。

3 建模分析

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[7]、《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）[8]、《空间网格结构技术规程》（JGJ 7—2010）[9]等有关规定，对该工程结构进行建模验算。验算采用PKPM2010（V5.2.3版本）系列软件进行。

3.1 结构模型建立

网架材料如表4所示。

表4 网架钢管材料

3.2 验算中所取的基本参数

（1）钢材自重由程序自动计算，钢材容重取78.5kN/m3。

（2）基本风压取0.65kN/m2；基本雪压取0.45kN/m2。

（3）抗震设防烈度为Ⅶ度。

（4）网架钢管强度按设计要求取值。

（5）恒荷载、活荷载标准值按照现场荷载布置进行取值。

3.3 网架钢管的强度和长细比验算

统计结果见表5和表6。验算结果表明，整个网架结构中在强度验算中，有684根钢管的应力比大于《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB 50144—2019）的规定要求，其中1单元有94根钢管不满足规范要求，应力比的范围为1.05~3.475，2单元有225根钢管不满足规范要求，应力比的范围为1.05~6.262，3单元有365根钢管不满足规范要求，应力比的范围为1.05~1.983，并且应力较大的钢管主要集中在中间腹杆层。

表5 不满足规范要求的应力比统计

表6 长细比统计

整个网架结构在长细比验算中，3单元有4根钢管的长细比大于《空间网格结构技术规程》（JGJ 7—2010）[9]的要求，剩余单元的钢管均满足要求。

4 安全性评估

经现场检查，各项异常的检测结果如下。

（1）该厂房的钢网架屋盖结构的平面布置与结构竣工图纸一致，但是建设单位没有按照规范合理布置设备，未将荷载悬挂在节点上，而是悬挂在了钢管上。

（2）该厂房的结构损伤较为严重：2根腹杆焊缝断裂；3根腹杆弯曲；构件防腐涂层局部发生脱落、锈蚀；焊缝处普遍未焊满、焊渣未清理、防腐涂层脱落、锈蚀；支座节点存在垫片翘曲、破损、支座与柱顶连接板脱开、螺母缺失的现象。

存在的安全性问题：①在施工过程中，施工单位没有对钢结构的施工质量认真负责，包含焊缝质量较差导致钢管与球节点连接不牢固，当屋面板荷载较大时导致传到钢管的上荷载增加，焊缝由于非等强焊缝或焊缝未满，钢管与球节点易发生脱开的现象；网架支座在安装过程中，高强螺栓未拧紧，垫片未刷防腐涂层，会导致网架支座垫片锈蚀、支座滑移等对结构安全不利的结果，并增大了后期修复的难度。②在后期工厂的维护过程中，建设单位未对钢屋盖网架结构按时修复脱落的防腐涂层，会导致钢管锈蚀，对结构安全造成不利的结果。

（3）验算结果表明：该屋盖网架结构在最不利的工况下，共有684根钢管的应力比不满足规范要求，应力比最大达到了6.262。虽然不满足规范要求的钢管仅占总钢管的1.5%，但是当不利工况发生时，中间腹杆层的钢管容易发生材料强度破坏，致使局部屋盖坍塌。设计单位应尽可能考虑突发荷载等情况，才能保证网架整体的安全性。

网架整体的评价：虽然网架整体的挠度满足规范要求，但发现个别钢管发生了因承载力不足引起的变形及损伤的现象，并且钢结构的施工质量较差，钢管验算中存在d级构件，故该厂房评为C级。但网架为高次超静定结构、整体稳定性强、刚度高，个别钢管损伤或承载力不足或失效为孤立事件，不会导致其他构件失效且不直接影响设备运行，厂房网架无整体垮塌的风险，但仍应对检测中发现的缺陷及损伤构件及承载力不足的钢管进行加固或修复处理。

5 结语

对钢结构网架屋盖的应用提供的一些参考。

（1）在结构设计过程中，由于较平面结构复杂，加之工业建筑荷载由于设备移位、更新等原因，在荷载方面难以考虑全面，建议增大荷载余量。

（2）在施工建设过程中，钢结构的安装较为较混凝土砌体结构更为困难，建议加强钢结构连接的质量把控，例如对焊缝进行探伤，对不合格的焊缝进行整改。

（3）在后期的维护使用上，建设单位应尽量按照相应要求对网架屋盖结构进行防腐等使用阶段的处理措施，不可以随意拆除或加建夹层及设备，更不能将荷载布置在钢管上。