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火灾后钢结构的安全性能分析与评价
发布日期:2019/8/26  点击次数:2331 双击自动滚屏,单击停止
    钢结构是一种应用范围很广的结构形式,既可用于体育馆、俱乐部、展览馆、影剧院、车站候车大厅等公共建筑,近年来也越来越多地用于仓库、飞机库、厂房等工业建筑中。由于钢结构具有重量轻、刚度大、抗震性能好的优越性,故近十年来钢结构在我国发展很快。
    钢结构公司有时会由于意外事故(如火灾、地震等)而产生较大的结构损坏。在结构灾害学与改造学中,通常将由于意外事故或使用不当造成结构损坏而需要恢复其原有功能的过程称为结构的加固与修复。结构的加固与修复工作包括对其进行矫正变形,更换或补强原结构损坏严重的局部结构和构件。
下面介绍某实际工程的屋面钢结构在失火后的加固修复设计。
1  工程概况
    钢结构厂房结构为166.5m×48m大空间单层框架结构,主体建筑屋顶结构为双坡钢结构(图1),坡度2%,采用焊接球节点,钢结构顶部标高为8m,采用的钢结构形式为正放四角锥,平面网格尺寸3m×3m,结构水平投影面积为7 572m。,钢结构高度为1.9m,钢结构的周边支承条件为上弦周边铰接支承,钢结构中间部分支承在钢梁上,下部钢筋混凝土柱距为6m,混凝土强度等级为c30。屋面采用混凝土方槽板,钢结构采用Q235钢材。该工程于20世纪90年代初竣工投入使用,工作状态正常。
2  钢结构安全性能分析
    2006年5月,某焊工在补焊一零件时,由电焊火花引起钢结构上已涂刷好的油漆着火,引起火灾。火灾发生至完全熄灭,历时20min。受建设单位的委托,山东大学对该钢结构进行了全面的分析与结构安全性能评价,提出了进一步整改的处理建议。
2.1  结构设计
    通过对原设计的复核计算,原设计荷载的取值符合实际情况,钢结构的高度及形式、约束的形式以及处理合理可行。钢结构杆件的最大设计应力为207MPa,小于Q235钢材的设计强度215MPa。钢结构在各种荷载工况设计值作用下的最大挠度为31.70mm(在荷载标准值作用下还要小),小于规范允许的变形要求。但是有部分杆件(主要是腹杆)长细比不满足要求,表明原设计存在一定的问题。
2.2  结构材料及结构连接的检测
    通过对委托方提供的该厂房钢钢结构杆件、焊接球出厂检验合格证明书等的查验,该钢结构所用的材料符合《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)(以下简称“规范”)第4.2.1条、第4·5.1条和第4.5.2条的规定。同时通过对委托方
提供的该钢钢结构焊接球节点轴心拉、压承载力试验报告和钢结构焊缝超声波探伤报告的审查,该工程钢结构的焊接球连接符合设计要求。
2.3挠度检测
    《钢结构设计与施工规程》(JGJ 7—91)(以下简称“规程”)规定,对周边支承的钢结构相邻点之间,应为相邻支座间距的l/400,且不应大于15mm,最高与最低点之间,应为30mm,从厂方提供的下弦支座标高差值表可知,相邻支座的最大标高差为30·8mm,所有支座的最大标高差为34.8mm,这两项标高差值均不满足“规程”(JGJ 7—91)中第5.10.2条的规定。
    钢钢结构总拼装及屋面工程完成后应分别采用激光测距仪或水准仪对钢结构的挠度进行检测,但在比较了下弦中央点和四等分点附近的挠度后发现,结构的实际挠度值比理论计算挠度值要大,其挠度控制点超过了结构设计挠度的1.15倍,不能满足“规范”(GB 50205—2001)第12.3.4条的规定。
2.4  实际结构性状
    在测量钢结构挠度的同时,对钢结构的性状进行了详细的实地勘察,发现钢结构⑧~⑥、⑩~⑤和⑩~①轴受损较为严重,共发现463根杆件有不同程度的弯曲变形,大部分是上弦杆件和下弦杆件,散布于整个钢结构中,但独立的弯曲杆件很少,大部分弯曲杆件是相互关联的(图2)。最大的弯曲矢高约为80mm(上弦杆件),约是杆件长度的2.7%,远大于规范规定的z/1 000。钢结构的周边支座也发生了较大的水平位移,支座底板产生翘曲现象,见图3~图6。
    图6支厘节点
    火灾过程中,当个别杆件承担的压力超过其受压稳定时的极限承载力时,必然导致杆件的压曲变形,而其中某根杆件因压曲变形退出(或基本退出)工作,将会导致钢结构的内力重分布,使其他杆件的受力发生变化,使得原本受压较小或受拉的杆件承受过大的压力,进而出现更多的弯曲杆件。从钢结构弯曲杆件的分布规律可以发现,独立的弯曲杆件很少,大部分弯曲杆件是相互关联的。通过采用3D3s 8·0软件对该失火后钢结构进行卸载计算,发现仍有部分杆件长细比不满足要求,因此,建议业主及时对所有出现弯曲变形的钢结构杆件进行加固处理。
2.5  火灾后钢结构残余承载力计算
    由图2可知,在火灾高温作用下钢结构中的许多杆件产生弯曲,由原来的直杆变成曲杆。在计算火灾后钢结构残余承载力的过程中,分别按火灾前和火灾后两种情况来计算钢结构的承载力。火灾前,对整个钢结构的各根杆件按实际截面尺寸,并采用直杆单元,利用有限元软件(ADINA)来计算其承载力,最后发现原结构的杆件仍有一定的安全储备系数。火灾后,对整个钢结构的各根杆件也按实际截面尺寸,采用梁元和直杆单元组合,利用ADINA中Beam(梁)与Tr。1SS(杆)两个模块来计算。通过计算分析可知,该钢结构在受火之后仍具有一定的承载潜力,故根据上述情况可对该钢结构提出加固修复方案,而不是拆除重建。
钢结构施工
3结论和建议
    对失火之后的钢结构首先应进行细致的现场勘察测量,在此基础上作相应的鉴定分析,以确定该结构是否能够采取加固措施来补救其承载力,并考虑新旧两部分整体工作、共同受力问题。选择加固方案时,应根据结构构件损伤程度,在安全、适用的前提下,综合考虑经济、施工等方面的因素,采取适当的加固措施。
    由此,建议对该钢结构进行以下处理:
    1)根据该钢结构的残余承载力计算,对不满足承载能力要求的杆件进行更换,以达到整个钢结构满足承载能力的要求。
    2)由于该钢结构受火灾影响范围比较大,通过火灾现场测定发现弯曲的杆件分布也比较分散,故主要对受灾的整个钢结构进行修复。
    3)在修复过程中,宜采用高空修复方案。
    4)弯曲杆件的替换原则:
    a.对弯曲挠度小于z/1 000的杆件,不替换,仍保留使用,但要进行清理除锈,涂刷防锈底漆;
    b.对弯曲挠度大于z/1 000且小于25mm的杆件,利用专用机具校直处理后不替换,仍保留使用,但要进行清理除锈,涂刷防锈底漆;
    c.对弯曲挠度大于25mm的杆件,更换新杆件。
信息来源:  文章作者:佚名 
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