双层螺栓球节点钢网壳结构的结构安全评估

龙源期刊网双层螺栓球节点钢网壳结构的结构安全评估作者：张宇旭来源：《科技创新导报》2011年第17期摘要:定期开展钢网壳结构的常规检测和安全评估是确保结构安全的重要保障。结合某双层螺栓球节点钢网壳结构的工程实例,依据检测的相关结果,开展了网壳结构的安全性评估分析。关键词:螺栓球网壳结构安全中图分类号:TB3文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0138-01引言网架结构是杆件以一定连接方式组合而成的高次超静定网格状结构,网架结构因其重量轻、施工方便、抗震性能好及造型美观等优点得到日溢广泛的应用。由于施工质量、使用过程中人为或非人为的因素影响等,导致网架结构发生损伤甚至倒塌的事故也时有发生,为确保网架结构的安全运行,开展网架结构的定期检测和安全评估非常必要。1网架结构的概况某电厂干煤棚双层螺栓球节点钢网壳,此网架结构为正放四角锥的双层网架,曲面近似椭圆,网格尺寸、网架宽度为90m,内跨为90m,外跨为95.484m,厚度2.742m,网架矢高37.079m,见图1示意为网架结构整体剖面;支承形式为下弦连接在柱顶预埋件上的下弦对边支承。球节点、套筒采用Q345钢,高强螺栓采用40Cr钢,杆件、支座、支托均采用Q235钢。建筑物外景见照片1.1。该网壳于2006年建成并投入使用,由于钢网架长期日晒雨淋、堆煤挤压及运煤车撞击等原因,导致局部杆件发生锈蚀,并伴有明显弯曲失稳变形,个别球节点连接杆件发生断裂。对该网壳进行检测,判断该网壳的使用安全情况,为后续加固处理提供技术依据,检测的相关内容包括:(1)材质检测;(2)节点锈蚀程度检测;(3)杆件尺寸复核、弯曲杆件统计;(4)支座位移测量;(5)支座构造的检查;(6)网架变形测量。2结构验算及安全评定2.1计算依据验算以电厂干煤棚网架的设计资料为参考依据。材料与设计技术参数如下:钢管选用GB700中的Q235B钢;上弦层荷载:静载0.30KN/m2(屋面板+檩条等),活载(活载1)0.50KN/m2,雪荷载(活载2)0.30KN/m2,基本风压0.35KN/m2;下弦层荷载:离柱顶12m下弦节点处加1.5KN/m荷载;考虑了+22.70和-19.30温差;计算机程序自动形成网架自重;杆件设计强度考虑0.9的折减系数f=193.5N/mm2,压杆容许长细比180,拉杆容许长细比180,支座处压杆容许长细比150;地震龙源期刊网度。本网架工程采用浙江大学空间结构研究室研制开发的空间网格结构计算机辅助设计系统(MSTCAD2003)进行满应力优化设计。计算分析主要考虑以下工况组合:(1)1.2静;(2)1.2静+1.4活1;(3)1.2静+1.4活2;(4)1.2静+1.4风1;(5)1.2静+1.4活1+0.8风1;(6)1.2静+1.4活2+0.8风1;(7)1.2静+1.4温(+23);(8)1.2静+1.4活1+1.4温(+23);(9)1.2静+1.4活2+1.4温(+23);(10)1.2静+1.4温(-19);(11)1.2静+1.4活1+1.4温(-19);(12)1.2静+1.4活2+1.4温(-19);(13)包络值。2.2结构验算网架结构的验算分别考虑完好和损伤状况下的结构为对象进行分析。其中,完好状况的结构模型以原设计图纸为依据,当前损伤状况下的结构模型以检测结果和原设计为依据来建立。根据结构特点,对此网架结构进行整体有限元建模(如图1示意),有限元分析模型中,钢管单元取仅考虑轴力效应的杆件单元。考虑目前结构杆件、节点的损伤,作如下假定:(1)杆件弯曲程度过大,视为发生屈服破坏,杆件失效;(2)杆件与球节点脱落或断开,视为杆件失效。由检测结果来看,结构损伤主要表现为网架左右两侧支座及以上二层网格范围的杆件发生节点脱落、断开及屈服破坏等损伤,二层网格以上范围内的杆件基本保持完好状态,未发现有节点或杆件损伤。以上述假定为依据,结合现场杆件、节点连接、杆件弯曲锈蚀的检测结果,建立损伤后的有限元分析模型。根据支座类型,考虑为三方向的刚性支座约束,并考虑检测支座位移的影响。通过MST2003软件满应力设计分析,由计算结果可知,主要荷载控制工况为荷载组合工况中的(2)、(8)、(11)三种。计算结果显示,按照目前损伤状况下的计算模型,有27根杆件(包括7根上弦杆、4根下弦杆及16根腹杆)不满足承载力要求,超过强度设计值,最大腹杆应力比在1.3左右;所有杆件长细比均满足要求;且超过设计强度的杆件主要分布在破坏杆件的周边区域,特别是腹杆的断裂对周边杆件应力的影响较大。通过与原设计的对比发现,支座反力有一定的变化。分析原因,支座反力变化主要来自于杆件破坏后结构内力重分布所导致的。由此可见,按照目前损伤后的分析模型,本网架结构局部27根杆件应力水平偏高,超过设计承载力要求,需要采取相应的加固措施。2.3安全评定按现行《钢结构检测评定及加固技术规程》第3.1.6条,本网架属于“部分适合工作”的结构。本网架结构存在的一些缺陷,比如节点脱落、杆件断裂及屈服等,可以通过消除缺陷、杆件置换或进行加固来恢复结构的工作性能。关于结构的安全评定具体如下:本厂房网架现有杆件和节点大体完好,连接基本可靠,保持了基本完整的承重体系;但网架左右两侧支座及以上二层网格范围的杆件发生节点脱落、断开及龙源期刊网屈服破坏等损伤现象,在设计荷载条件下,除27根杆件承载力不足外,其余现有杆件承载力基本符合设计要求,经过适当处理后,可以满足正常使用要求,故本网架结构可评定为C级。3相关建议通过网架结构的现场检测和验算分析,为后续的加固工作作出科学的评估,在保证安全的前提下,充分结合现有的建筑状况,全面考虑今后的使用需要,以较少的工作量和较短的工期取得最大的经济效益。总之,通过网架结构的现场检测和验算分析,为后续的加固工作作出科学的评估,在保证安全的前提下,充分结合现有的结构状况,全面考虑今后的使用需要,以较少的加固工作量和较短的工期取得最大的经济效益。参考文献[1]《建筑结构检测技术标准》GB/T50344-2004.[2]朱斌,郑七振,魏林.某大型网架结构的检测与加固[J].施工技术,2005(2):66～69.[3]沈祖炎.网架与网壳[M].上海:同济大学出版社,1997.