大跨度钢结构安全性评估方法

大跨度钢结构安全性评估方法

摘要：根据《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068—2001)规定的结构构件承载能力极限状态的可靠度指标,提出既有钢结构构件的安全性等级应划分为安全与不安全两等级；在综合考虑构件权重的基础上,提出了承载安全性的最低等级作为结构安全性等级的安全性评定方法；以某大跨度钢结构为例，利于大型有限元软件SAP2000对其进行了安全性分析，阐述了安全性评估的原则及流程，其分析方法可供类似结构安全性评估作参考。

关键词：大跨度钢结构；安全性评估；有限元分析

1 钢结构安全性评估原则

安全性是指结构在正常施工和正常使用条件下，结构能承受可能出现的各种作用，以及在偶然事件发生时和发生后，仍能保持必要的整体稳定性。根据《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-2008)，对既有钢结构安全评估主要内容有:

①结构体系结构和构件布置；②连接与构造措施；③构件的承载能力；④必要时包括抗灾害能力。结构体系和构件布置应以现行结构设计标准的要求为依据进行评定，主要参照《建筑抗震设计规范》GB50011和《钢结构设计规范》GB50017的有关规定；连接和与安全相关的构造也是以现行结构设计标准的要求为依据进行评定，主要参照《钢结构设计规范》GB50017第7章和第8章及《建筑抗震设计规范》GB50011第8章的有关规定；构件承载能力评定通常主要采用承载力验算分析或构件载荷试验的方法进行评定，采用构件承载力验算分析时，通过构件的抗弯抗剪等承载能力与荷载作用下的作用效应进行比较，承载能力大于作用效应情况下评定为承载能力满足要求【2－5】。

2 大型钢结构承载能力安全性评估方法

2.1 验算分析方法及内容

构件的承载能力通过计算分析评定，分别计算结构构件的抗力R和作用效应S，确定结构重要性系数γ0，按R/γ0S比值评定。结构上的作用是指能使结构产生效应S(结构或构件内力、应力、位移、应变、裂缝等)的各种原因的总称，分为直接作用和间接作用两种，荷载仅等同于直接作用，按《建筑荷载设计规范》GB50009，有永久荷载、可变荷载和偶然荷载三类。

永久荷载包括结构和装修材料的自重等；可变荷载如楼面各类活荷载、立面

的风荷载、屋顶的雪荷载、积灰荷载、吊车荷载等的作用，偶然荷载包括爆炸力、撞击力、火灾等；间接作用有地基变形、材料收缩、焊接变形、温度变形、安装变形或地震作用等。作用和作用效应按国家现行标准的规定确定，既有钢结构可进行下列参数或分析方法的调整:

①永久作用应以现场实测数据为依据，按现行结构荷载规范规定的方法确定；

②部分可变作用可根据评估使用年限的情况采用考虑结构设计使用年限的荷载调整系数；如楼面的各类活荷载、立面的风荷载、屋顶的雪荷载等。

③在计算作用效应时，应考虑轴线偏差、尺寸偏差和安装偏差等的不利影响，有地基不均匀沉降等引起的不适于继续承载的位移或变形评定时，承载力验算时应考虑由于位移产生的附加应力的影响；

④应按可能出现的最不利作用组合确定作用效应。构件的承载能力R应按现行结构设计标准提供的结构分析模型确定，且应对结构分析模型中指标或参数进行符合实际情况的调整。按上述原则计算得到的承载能力不小于作用效应时，评定其承载力符合要求，常见的构件验算项目见下表1。

表1 钢结构构件承载力验算项目

2.2 大跨度钢结构安全性评定等级

结合《工程结构可靠度设计统一标准》(GB50153-2008)，大型钢结构构件及节点的安全性等级评定一般划分为四级(表2)。不同评定等级的处理如下：(1) au级:在目标使用期内安全，不必采取措施；(2) bu级:在目标使用期内不显著影响安全，可不采取措施；(3) cu级在目标使用期内显著影响安全，应采取措施；(4) du级:危及安全，必须及时采取措施。

表2 构件承载能力评定等级 注：(1)表中的构件抗力R和作用效应S，应按本标准第3.1.7条的要求确定，结构重要性系数γ0，应按国家现行设计规范选择安全等级，确定其取值。

(2)在确定构件抗力时，应考虑材料实际性能和构件实际构造及缺陷、损伤、腐蚀、变形和偏差的影响。

当各类构件的安全性等级确定后，可根据其在结构体系中所处位置及重要性，对结构系统安全性等级进行评定。由于构件权重能反映实际结构因不同种类

构件破坏产生的不同后果，因此考虑构件权重后的评价结果更符合实际。在综合考虑构件权重的基础上,为便于实际操作，可将构件最终评定为安全和不安全两个等级，最终评定等级为安全则不用采取处理，不安全须进行处理加固。

3 大型钢结构常见处理措施

安全性评估不满足要求时，可采用整体加固或构件加固的方法处理，必要时也可提出其使用的要求。提高结构整体性可采用增设构件和支撑的方法；提高构件承载力和刚度可采用加大截面法；增设构件和支撑应保证加固件有合理的传力途径；加固件宜与原有构件的支座或节点有可靠的连接，连接可采用焊接、螺栓连接等，一般优先采用焊接。

构件连接节点的加固，可焊缝连接、高强度螺栓连接和普通螺栓连接，对焊缝连接的加固:直接延长原焊缝的长度，如存在困难，也可采用附加连接板和增大节点板的方法，增加焊缝有效高度；增设新焊缝。对高强度螺栓连接的加固:增补同类型的高强度螺栓；将单剪结合改造为双剪结合；增设焊缝连接。

对普通螺栓连接的加固:全部或局部更换为高强度螺栓连接；增补新螺栓或增设高强度螺栓；增设焊缝连接。当受压构件或受弯构件的受压翼缘破损和变形严重时，为避免矫正变形或拆除受损部分，可在杆件周围包以钢筋混凝土，形成劲性钢筋混凝土的组合结构。为了保证二者的共同工作，应在外包钢筋混凝土的部位上焊接能传递剪力的零件。

4 案例分析

4.1有限元模型

浦东机场一期航站楼由航站主楼、登机长廊和廊道组成。建筑外形是一组轻灵的弧形钢结构支撑在混凝土基座上，犹如展翅欲飞的海鸥。其中主楼包括进厅(R1)、办票大厅(R2)、行李处理等部分，工程于1999年竣工投入使用。本工程钢屋架采用了新型的张弦梁结构型式，跨度大，最大跨度超过80m，随着使用年限的增加，存在各种因素如构件锈蚀截面削弱，由此可能会影响到结构使用安全，为此，进行相关的安全性评定是十分必要的。

本文选取了R2屋架中纵向的典型张弦梁为案例进行安全性评估数值分析，该张弦梁上下弦均为圆弧形，上弦由三根平行方管组成，下弦为钢索，立杆为钢棒(图1)。分析采用大型有限元软件SAP2000，其中上弦用梁单元，立杆用杆单元，下弦用索单元(仅受拉)进行模拟，分析工况选取典型的恒载工况，设计荷载为1818kN(构件自重由程序自动计算)施加在除屋架端部的16个节点上(图2)

图1张弦梁立面图

图2 有限元模型

4.2 工况分析及结果讨论

考虑到实际工程中长期锈蚀可能会对杆件截面造成削弱，分析工况为设计荷载下张弦梁上弦、下弦索及立杆分别出现截面削弱，以此进行构件强度安全性评定分析，具体分析工况为：(1)上弦钢钢板厚分别削弱2、5、8、10mm(原来板厚为30mm)，其构件实际承载力与荷载效应比值见表3(根据构件重要性，上弦和下弦的重要性系数为1.1，立杆为1.0)；(2)立杆截面分别削弱1、2、3、4、5mm，其评估分析结果见表4。(3)下弦索分别失效1、2、5、10、20根(原来为5x241根)，其评估分析结果见表5。根据安全性评估等级划分原则(表2)，最终张弦梁的评估等级及处理方案见表6。

表3 设计荷载下截面削弱安全性分析(构件承载力与荷载效应比值R/γ0S)

表4 设计荷载下截面削弱安全性分析(构件承载力与荷载效应比值R/γ0S)

表5 设计荷载下截面削弱安全性分析(构件承载力与荷载效应比值R/γ0S)

表6 张弦梁安全性评估等级及处理措施

5 结语

针对目前大型钢结构使用特点，结合相关规范，阐述了钢结构安全性评估原则，安全性评估等级划分原则，重点了介绍了承载力安全性评估方法，结合某大型已建钢结构工程，利用有限元软件进行了数值分析,得到了结构的安全性评估结果。

参考文献

［1］GB/T50621-2010，钢结构现场检测技术标准［S］．

［2］GB50144-2008，工业建筑可靠性鉴定标准［S］．

［3］GB50153-2008，工程结构可靠度设计统一标准［S］．

［4］GB50023-2009，建筑抗震鉴定标准［S］

［5］沈祖炎，陈以一，陈扬骥，编著．钢结构基本原理［M］．北京:中国建筑工业出版社，2009．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。