李運軍，謝 堅，裴 陽

(1.安徽中亞鋼結構工程有限公司，安徽 合肥 230051;2.合肥水泥研究設計院有限公司，安徽 合肥 230051)

1 概述

隨著計算機及空間網(wǎng)架設計軟件的普及和發(fā)展，一大批空間網(wǎng)格結構特別是網(wǎng)架結構迅速拔地而起。工業(yè)建筑特別是水泥廠、鋼廠、化工廠、電廠等充分利用設計快捷、加工標準化、運輸效率高、施工安裝方便、跨度大、選型靈活這些優(yōu)點，把空間網(wǎng)架結構作為首選。

鋼網(wǎng)架(殼)結構具有施工方便、周期短、跨度大等優(yōu)點，近20 a在水泥行業(yè)中被廣泛應用。石灰石預均化堆場、原煤預均化堆場、輔料堆棚、熟料、庫包裝站臺、砂巖堆棚等等。然而，由于鋼網(wǎng)架為空間桿件結構、屋面檁條系統(tǒng)為冷彎薄壁結構，正常情況下，鋼結構在正常使用環(huán)境下6 a～8 a需要對其進行防腐防銹圍護。但實際使用過程中，很多廠家基本沒有做到基本的保養(yǎng)圍護。使得網(wǎng)架(殼)往往在設計使用年限內(nèi)，出現(xiàn)了部分構件或結構局部失效，使結構無法繼續(xù)滿足使用功能的要求。

網(wǎng)架(殼)失效后需重新對結構進行整體計算，然后針對性地提出加固方案。近年來，眾多學者進行了關于網(wǎng)架加固方面的相關研究。聶祺等[1-2]采用預應力方法對一竣工于1996年的游泳館屋蓋進行了加固研究，屋蓋原為正方四角錐螺栓球平板網(wǎng)架，采用預應力高釩索、支撐及套管集成加固方法，該方法無焊接作業(yè)，大大縮短了工期。黃亮[3]采用有限元方法研究了網(wǎng)架壓桿套管加固設計方法，對網(wǎng)架整體模型進行了非線性屈曲分析，并研究了套管長度、套管厚度、分段套管、螺栓預緊力等參數(shù)對加固效果的影響。姜麗萍等[4-5]對卡箍套管加固網(wǎng)架桿件進行了軸壓試驗研究，得出了加固桿件的屈曲模態(tài)以及極限承載力，并將試驗結果與理論計算結果進行了比較。

本文對水泥行業(yè)中網(wǎng)架(殼)的破壞模式進行總結，提出了土建支撐結構、桿件失效、螺栓失效和圍護結構破損四部分內(nèi)容，并提出了相對應的治理措施，為網(wǎng)架(殼)在水泥行業(yè)中的設計、建造和使用提供參考。

2 網(wǎng)架(殼)破壞模式

2.1 土建支撐結構損壞

水泥行業(yè)中，生產(chǎn)原料堆棚通常采用底部混凝土結構框架、上部鋼結構網(wǎng)殼的結構體系。網(wǎng)殼與土建部分通過支座連接，網(wǎng)殼作為屋蓋結構通過支座將荷載傳遞給梁柱，梁柱再傳遞給基礎。此類工程中底部土建支撐結構的安全性與穩(wěn)定性對整個結構來說是至關重要的。然而，由于車輛運輸原料過程中，經(jīng)常對混凝土結構柱與梁產(chǎn)生撞擊，結構柱混凝土保護層脫落嚴重，鋼筋直接裸露在空氣中。作為網(wǎng)架支座支撐的結構梁跨中產(chǎn)生沿梁高貫通的多條豎直裂縫，致使結構梁失效，整個網(wǎng)架邊界條件與設計邊界條件不符，網(wǎng)架安全性能大大降低，如圖1所示。

2.2 網(wǎng)架(殼)桿件失效

網(wǎng)架(殼)是由桿件與螺栓球節(jié)點通過高強螺栓連接的空間結構。桿件在設計中僅僅承受軸力，但是在實際加工、安裝、使用過程中，各種原因造成桿件彎曲、大變形，使桿件在實際使用過程中承受次彎矩，使桿件發(fā)生更大的彎曲變形，從而降低網(wǎng)架(殼)整體承載能力。

除此之外，桿件由于加工的下料尺寸不準確或者安裝過程中過大的變形，造成現(xiàn)場安裝時桿件長度需要調(diào)整，有很多是將原桿件切斷，調(diào)整到合適長度后采用對接焊縫進行連接，還有是很多桿件在加工廠對接?，F(xiàn)實中發(fā)現(xiàn)對接焊縫連接處由于焊接質(zhì)量不合格，桿件常發(fā)生斷裂，致使桿件失效，使網(wǎng)殼各桿件的應力重分布，致使部分桿件超過原設計應力比，導致更多的桿件失效。圖2示出了網(wǎng)架(殼)桿件常見的破壞模式。

2.3 螺栓失效

由于網(wǎng)架(殼)桿件的彎曲和斷裂，導致部分桿件的受力狀態(tài)由只承受軸力變成承受較大彎矩和剪力的復合受力構件，這時候部分螺栓的受力狀態(tài)不僅僅是受拉，而是轉化為了拉剪(壓剪)狀態(tài)。同時由于很多結構高強螺栓的設計是按照桿件的內(nèi)力進行設計。桿件內(nèi)力重分布后對應的內(nèi)力可能遠遠大于所選用螺栓的承載力，致使許多高強螺栓直接被拉斷，與之相連的桿件從螺栓球上脫落，螺栓被剪斷，對網(wǎng)架(殼)的整體剛度和承載能力是致命性的破壞。圖3示出了現(xiàn)場螺栓失效后的網(wǎng)架形態(tài)。

2.4 圍護結構破損

網(wǎng)架(殼)的圍護結構主要是檁條與壓型鋼板以及它們與主體結構的連接。圍護結構是保證項目滿足使用功能的關鍵因素之一，然而由于圍護結構直接與雨水接觸，常常發(fā)生銹蝕，見圖4。容易發(fā)生銹蝕的部位是檁條以及檁條與壓型鋼板連接部位。銹蝕后的檁條截面有效面積減小，承載力降低。壓型鋼板與檁條連接處應力較大，銹蝕后的壓型鋼板常出現(xiàn)孔洞。同時壓型鋼板通過自攻螺釘與檁條連接，隨著使用時間的增加，熱脹冷縮，密封圈逐漸老化，自攻螺釘松動，屋面板被撕裂，發(fā)生漏水，漏水同時加速對主次結構損壞[6]。

壓型鋼板安裝不合理，以及連接處破損，導致壓型鋼板脫落，圍護結構出現(xiàn)缺口，如圖5所示。壓型鋼板缺口處風荷載集中，形成的巨大風氣流使得整體結構的風荷載體型系數(shù)發(fā)生巨大的改變。

3 治理措施

本節(jié)針對于網(wǎng)架(殼)中常見的問題，依托相關規(guī)范、力學原理以及工程經(jīng)驗，提出了相應的治理措施建議，以方便對結構局部損壞，不需重建的工程進行修復，節(jié)約資源。

3.1 土建支撐結構加固處理

針對于網(wǎng)架(殼)工程中混凝土柱與混凝土梁出現(xiàn)開裂、混凝土保護層脫落、鋼筋裸露等問題，根據(jù)GB 50367—2013混凝土結構加固設計規(guī)范[7]對土建支撐結構進行加固處理。常用的加固方法有：增加截面加固法、置換混凝土加固法、體外預應力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復核材加固法、預應力碳纖維復合板加固法、增設支點加固法等。圖6列舉了混凝土柱采用外包型鋼加固的常用構造。

3.2 網(wǎng)架(殼)桿件治理

當桿件失效后，可通過對桿件進行加固使網(wǎng)架(殼)結構整體性得到保障。常用的桿件加固方法有：粘貼鋼板法、套管加固法、置換桿件法、纖維布加固法等[8-11]。

粘貼鋼板法通過黏接劑將薄鋼板黏貼于構件表面。避免了焊接產(chǎn)生的殘余應力和殘余變形，通過提高桿件截面面積來提高極限承載力，但由于鋼材易銹蝕，導致黏接劑易發(fā)生脫落。套筒加固法通過使用肋板將較大截面桿件焊接于原桿件之上，來實現(xiàn)桿件的加強。置換桿件法是直接將原銹蝕或損壞的桿件用強度更高、截面更大的桿件直接替換。纖維加固法則通過在受損構件表面粘貼纖維材料，使纖維與構件協(xié)同受力，提高桿件的承載力來實現(xiàn)對桿件的加固。

3.3 螺栓治理

1)由于螺栓被剪斷而導致網(wǎng)架各桿件內(nèi)力發(fā)生改變，被剪壞的螺栓采用新螺栓進行更換，螺栓規(guī)格和強度等級應根據(jù)相關桿件失效后網(wǎng)架(殼)模型與未失效模型分別計算，取包絡值進行計算復核；2)大部分情況下被剪斷的螺栓根本無法從螺栓球中取出，原有的螺栓孔無法使用，此時一般采用與設計原桿件等強的構件(角鋼、槽鋼等)替代原有桿件，替換構件與螺栓球焊接形式連接。

3.4 圍護結構治理

因輕微生銹或撞擊導致失效的檁條可以通過添加附加綴板的方法進行加固，具體有單側添加綴板、雙側添加綴板、添加L型綴板等，綴板型式因檁條截面型式而定。研究表明：雙側斜撐式綴板加固方案不但能提高檁條屈曲承載力、改善穩(wěn)定性，還能有效提高檁條在規(guī)范要求撓度限制范圍內(nèi)的承載能力[12-14]。但很多結構都是因為部分檁條銹蝕脫落了以后才考慮維修和加固，此時對檁條加固已沒有任何意義，唯有對原有檁條拆除。壓型鋼板破壞后應及時更換，更換后彩鋼板型號應與原彩鋼板匹配，在彩鋼板搭接處、彩鋼板與采光板連接處可增設防水拉鉚釘與檁條連接。已老化的防水密封帶與防水螺釘應及時進行更換，更換黏接性能較高、耐候性及抗變形能力較強的防水材料，如丁基橡膠防水密封黏結帶、硅酮耐候膠等。

4 設計注意事項與使用建議

本節(jié)結合前文對網(wǎng)架(殼)中常見破壞模式以及相應治理措施，提出以下建議：

1)土建基礎或柱設計時應充分考慮車輛、堆料的沖擊荷載，容易被撞擊的部位設置防撞鋼板，設計時考慮適量安全系數(shù)；使用中應將車輛運載工具避開混凝土柱與梁，同時在容易被碰撞的部位設置警戒色，避免對支撐結構造成破壞。2)網(wǎng)架設計時充分調(diào)研和理解業(yè)主方的使用意圖，充分調(diào)研后期使用過程中所有可能使用的運輸設備，留有足夠的運行空間。3)網(wǎng)架(殼)設計時關鍵部位應做好防護，不僅僅考慮使用階段的受力狀況，同時也要考慮安裝過程中的受力狀況，按照內(nèi)力包絡的思想來配置關鍵部位的桿件和螺栓，安裝網(wǎng)架時應制定合理的施工方案，避免桿件產(chǎn)生初彎曲；高強螺栓安裝時應確保預緊力達到設計要求；當采用對接焊縫連接桿件時，應嚴格保證焊接質(zhì)量，保證焊縫滿足計算與構造要求。4)檁條、壓型鋼板等圍護結構在使用中極易生銹與破損，設計時應合理考慮圍護結構所受荷載；壓型鋼板固定時確保屋面彩板的固定位置，避免自攻釘直接在板子的波谷位置固定；使用過程中應定期對破壞的檁條與壓型鋼板進行更換或加固。5)網(wǎng)架(殼)是一個系統(tǒng)工程，設計、施工、使用密切聯(lián)系，相互影響。本文僅列舉了部分常見問題，更多的問題尚需根據(jù)具體項目具體解決。

5 結語

本文通過對水泥行業(yè)中網(wǎng)架(殼)中常見破壞模式進行了闡述與原因分析，并提出了相關的治理措施，旨在為網(wǎng)架(殼)在設計、施工和使用中提供參考。

1)土建基礎支撐結構受運輸影響，易出現(xiàn)混凝土結構被撞擊而發(fā)生保護層脫落、鋼筋裸露等問題，應及時進行加固和保護處理。2)由于加工、安裝不合理等初始缺陷，網(wǎng)架(殼)桿件初偏心較大、桿件彎曲變形嚴重、對接桿件在對接部位斷裂等應及時進行加固或更換。3)鋼結構使用過程中沒做過基本的圍護，主結構、檁條等結構出現(xiàn)嚴重生銹現(xiàn)象，壓型鋼板出現(xiàn)嚴重銹蝕、漏水、脫落等狀況。針對壓型鋼板漏水或銹蝕應及時更換或維修，越早越好，否則會對局部的檁條和主結構產(chǎn)生巨大影響。