某体育场雨篷（钢管桁架、膜）结构检测及安全性分析研究

某体育场雨篷（钢管桁架、膜）结构检测及安全性分析研究

李明

身份证号码： 41052219840913**** 上海众材工程检测有限公司，上海 201209

摘 要：钢管桁架、膜结构随着使用年限增加以及受自然灾害影响，杆件会出现各种问题，影响结构承载力，因此，对结构的检测及安全性分析就变得非常重要，本文结合项目实例，以某体育场雨篷（钢管桁架、膜）结构现状检测为研究对象，通过对雨蓬的桁架、膜、钢索、加固立柱部位的外观、变形损伤、节点连接质量、倾斜观测等方面的检测计算，验证其承载力，分析其结构安全性，给出合理结论建议，相关研究对类似工程具有一定借鉴意义。

关键词：钢结构；钢管桁架、膜结构；杆件检测；安全性分析

引言

钢管桁架、膜结构随着使用年限增加以及受自然灾害影响，杆件会出现各种问题，它不但影响外观，还对结构的承载力不利。鉴于此，结构的检测及安全性分析就变得非常重要，通过对结构的检测及安全分析来鉴别其是否影响整体承载，以此来判别其是否对结构安全性和耐久性产生不利影响。本文以某体育场雨篷（钢管桁架、膜）结构现状检测及安全分析作为实例，介绍了钢结构检测在实际工程中的应用。

1 某奥林匹克公园体育场项目概况

某奥林匹克公园体育场由钢筋混凝土框架、钢雨篷组成，其主体为框架结构三层，一层高3.5m，二层高6.3m，三层高3.17m；其钢雨篷为钢管桁架、膜结构，建筑面积约为25109m²。

2 雨篷（钢管桁架、膜）结构检测原因及背景

该奥林匹克公园体育场于2002年9月建成投入使用,至检测时已使用15年。

2008年1月，该地区发生冰灾，连续下雪及冰冻，导致雨篷积雪过厚，引起钢管桁架构件变形、雨篷下沉现象。大雪之后，相关部门组织清除积雪，并采用吊车将雨篷局部吊起等措施。

2008年3月，相关单位对膜顶钢结构雪灾影响情况进行了检测鉴定，采取了对钢管桁架进行加固修补、钢管桁架前段增设支撑钢柱的加固措施。之后使用至今。

2017年3月，为了解膜顶钢结构现状，保证使用安全，特委托某检测单位进对体育场西看台雨篷（钢管桁架、膜）结构现状进行了安全性检测鉴定。

3 雨篷（钢管桁架、膜）结构检测情况

3.1 检测范围

此次检测范围包括雨蓬的桁架、膜、钢索、加固立柱等。见图1、图2。

图1 体育场全景 图2 体育场西看台

3.2 现场调查

3.2.1 工程设计概况调查

根据图纸（钢结构设计说明），西看台雨篷结构形式及原设计参数等如下：

1) 结构形式： 西看台屋盖主体结构采用钢管桁架结构。屋盖支承柱采用钢管格构柱结构及钢拉索。屋面结构为固定边界张拉膜结构。

2) 自然条件及使用荷载：基本风压0.35×1.1=0.385kN/m²,基本雪压0.4 kN/m²。

3）地震设防：该地区地震基本烈度为6度，本工程按7度设防。

4）结构荷载：内环桁架、主挑桁架下弦检修走道、灯具、音响等0.7 kN/m²,屋面活荷载：0.4 kN/m²,屋面膜材MS-03自重0.01 kN/m²。

5）使用材料：所有钢构件所用材料为Q235-A，钢管采用高频焊管。膜材：屋面MS-03膜材。

6）钢结构安装要求： 管端部不得露口，封口板厚4mm。

7）钢管结构及钢管相贯节点焊缝：采用对接焊缝和相贯线。

3.2.2 现场结构形式调查

对西看台雨篷（钢管桁架、膜）整体现场调查，结果如下：

（1）现场对照图纸复核，西看台雨篷的结构形式为钢管桁架、膜结构，结构形式与原设计相符。平面呈圆弧形，结构布置与原设计基本相符，局部个别杆件缺失。

（2）有部分杆件经过加固处理。2008年雪灾后加固新增18根钢管柱，加固柱结构位置与加固设计相符；加固柱柱顶与钢桁架连接做法、杆件加固做法与图纸不符。

3.2.3 维护情况调查

经询问，投入使用至今，西看台雨篷（钢管桁架、膜）未进行过清理灰尘、除锈、涂刷防腐涂料等维护工作。

3.3 现场检测

3.3.1 膜检测结果

1）膜厚度：膜采用屋面膜材MS-03，厚度实测值为1.01mm～1.18mm。

2）膜损伤状况：膜存在局部线状及撕裂破损,雨水渗漏现象。

3）膜与桁架连接节点：膜与桁架连接夹板连接，橡胶板垫有龟裂、粉碎现象，屋盖四周边缘外露压板严重锈蚀，有锈渣、明显的体积膨胀、脱落，同时存在部分螺栓采用普通螺栓代替不锈钢螺栓，且锈蚀严重。

4）膜老化情况：膜表面局部有龟裂纹，有明显变色，沟槽部位，密封膜布局部有翘起、橡胶垫层老化，有渗漏现象。

3.3.2 钢索检测结果

1）钢索数量：现场实测钢索数量共54根，其中屋面9根钢索缺失。

2）钢索尺寸（直径）：钢索直径与设计一致。

3）钢索锈蚀状况：钢索有白色保护套，未见钢索有明显锈蚀。

4）钢索与桁架连接节点：锚头与节点钢板用螺栓连接，与图纸设计一致。节点钢板为扇形钢板，呈面状锈蚀，防锈漆全部脱落，锈蚀严重。

3.3.3 桁架现场检测结果

1）桁架结构形式：现场对西看台桁架对照图纸复核，桁架结构形式为钢管桁架、膜结构，共有6个主塔，塔尖伸出膜屋面，主桁架由钢索、格构柱与看台的混凝土结构相连接，结构形式与设计一致。有部分杆件经过加固处理，加固柱结构位置与加固设计相符。

2）桁架平面轴线尺寸：轴线尺寸基本与图纸设计一致。

3）桁架外观：防腐涂层有起皮、开裂、脱落；部分杆件表面有点状或片状或面状铁锈色；少量节点钢球呈面状锈蚀，油漆面状脱落；加固立柱顶部新增杆件的焊缝有漏焊、孔洞、锈蚀；外环梁WHL杆件端部局部有片状或面状锈蚀。见图4。

4）桁架节点：部分节点焊缝处有孔洞、漏焊、填充钢筋及钢板条焊接；节点处杆件不同轴；节点钢板锈蚀。

5）杆件尺寸：杆件外径、壁厚尺寸与图纸设计基本一致。

6）桁架杆件材质（强度）：采用硬度法对桁架杆件的材质（强度）检测，推定钢材的材质为Q235。

7）加固（2008年）杆件状况 ：桁架杆件加固采用平钢板条，与加固设计的圆弧钢板不一致；焊接为点焊，与加固设计满焊的要求不一致；加固立柱顶部分部新增杆件连接位置与原桁架的上下弦杆焊接，不在节点区焊接，加固立柱上部做法与加固图纸设计不一致；经检查，新增杆件与原桁架杆件连接焊缝普遍存在漏焊、焊缝不饱满、局部未焊接有孔洞，焊缝成型不良，焊脚高低不平，焊缝质量不合格。

8）桁架杆件变形、损伤状况：部分杆件变形，其中上弦施工弯曲；腹杆节点受压屈服变形；下弦杆件受压屈服变形；下弦杆件轴线明显不同轴；桁架立柱杆件受到桁架下弦杆挤压出现屈服变形。见图3。

9）桁架杆件锈蚀状况：杆件表面有铁锈色、点状锈蚀、片状锈蚀、面状锈蚀，磨除铁锈后，钢管呈浅部凹凸不平的锈蚀坑。

10）焊缝探伤检测结果：部分焊缝有不饱满、漏焊、孔洞、等缺陷，18根杆件端部焊缝质量不合格。

11）杆件涂层厚度：杆件的防腐涂层厚度不一致，局部涂刷不均匀，局部厚度较薄

12）节点连接情况：桁架杆件节点连接形式为对接连接和相贯连接，部分节点有错位、搭接、角度偏移等现象；部分杆件端部有大小头圆管焊接连接，存在错位、不同轴现象；端部节点的焊缝均存在焊缝不饱满、漏焊、孔洞、错位等缺陷；部分节点板上有圆孔，但未见螺栓，采用焊接连接；节点钢板双面锈蚀严重，锈蚀深度超过板厚的5%。防腐涂层起皮、脱落；节点钢板锚固状况良好。

图3焊缝锈蚀、孔洞 图4 立柱下弦处径向压屈

3.3.3 加固立柱现场检测结果

1）加固立柱柱脚：柱脚包裹在混凝土柱中，位置与加固设计一致。

2）加固立柱外观尺寸：外径和壁厚均大于设计要求；表面防腐涂层有起皮、脱落、锈蚀现象。

3）加固立柱顶部与桁架连接情况调查结果：立柱顶部新增杆件与原桁架的上弦、下弦杆件焊接，部分加固杆件焊接位置不在节点区，传力途径不合理；焊缝有漏焊、孔洞；节点做法与加固图纸设计不一致。

4 结构承载力及安全性分析

4.1 桁架结构验算结论

通过对体育场整体模型计算分析，从雪荷载考虑屋面积雪分布系数1.4验算结果来看，结构共有6038根杆件，其中有193根杆件截面验算不足，应力比大于1.00或长细比超限。截面验算不足的杆件主要分布在悬挑桁架与柱子（原有柱和加固柱）连接的部位，以及中环梁和悬挑桁架连接的位置，还有少量分布在加固柱顶撑杆、外环梁等位置。其余杆件，包括钢索、钢柱和拉杆等，没有出现截面验算不足的问题。节点承载力满足要求。

4.2 桁架构件的安全性鉴定分级

4.2.1钢桁架柱脚

根据现场对现状的检测，桁架柱脚及加固柱的柱脚均被混凝土方柱外包，无裂缝、无不均匀沉降引起的裂缝，无损伤。参考《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015，钢桁架柱脚单个构件安全性鉴定评级均评为a_u级。

4.2.2桁架

根据检测结果，依据《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015规定，按桁架杆件的构造、位移或变形、锈蚀、承载力对桁架杆件的安全等级进行评定， cu级杆件72个（其中按锈蚀评定为cu级12个，按构造评定cu级60个），du级杆件13个；按承载力R/γ₀S对杆件进行安全性等级评定，有bu级杆件29个，cu级杆件26个，du级杆件138个。分布位置见图5、图6。

图5 cu级杆件分布图(验算结果) 图6 du级杆件分布图(验算结果)

4.2.3钢索

参考《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015规定，按钢索的节点构造、锈蚀等对单根钢索安全性进行评定，所有钢索的节点板双面锈蚀严重；单个钢索的安全性评定等级为bu级。

膜：参考《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015规定，按膜的老化、外观、节点构造连接、开裂情况，对所测单个区域膜的安全性进行评定。所有膜与桁架杆件连接的节点板锈蚀比较严重，橡胶垫层老化、密封不严，膜局部有撕裂、洞口、老化，使用期已达15年。各区域膜的安全性评定结果均为d

_u级。

4.3 西看台雨蓬（钢管桁架、膜）安全性鉴定评级

综上所述，对该奥林匹克公园体育场西看台雨蓬（钢管桁架、膜）的安全性鉴定评定等级为Dsu级，即安全性严重不符合《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015标准对Asu 级的要求，严重影响整体承载，必须立即采取措施。

5 结论与建议

综上所述，本文着重介绍了对某体育场雨篷（钢管桁架、膜）结构检测及安全性分析，为了保证结构安全和正常使用，应该及时加固处理，并加强对原材料和施工质量的控制管理，采用科学的施工工艺，才能保证优质的工程质量。

通过对该体育场雨蓬（钢管桁架、膜）的检测、安全性鉴定评级，综合以上分析，结论如下：

（1）该体育场雨蓬为钢管桁架、膜结构，根据检测结果及结构安全现状，分析认为，雪灾积雪过厚，加固施工不规范、长期不维护是导致结构承载力不符合要求的原因。

（2）雨蓬（钢管桁架、膜）的安全性鉴定评定等级为Dsu级，即安全性严重不符合《民用建筑可靠性鉴定标准》GB50292-2015标准对Asu 级的要求，严重影响整体承载，必须立即采取措施。

（3）雨蓬（钢管桁架、膜）结构承载力不足的情况，已经严重影响结构安全，不能正常使用。

（4）建议按《钢结构工程施工质量验收标准》的有关规定对雨蓬（钢管桁架、膜）结构进行更换、加固、除锈、防腐处理。

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撰写日期：2021年4月

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