浅谈老旧工业厂房主体结构承载力验算

  0 引言
  
  随着我国建筑行业的快速发展,作为工业生产基础设施的工业厂房也得到了大规模快速的建设和发展,其中一些建设年代较早的厂房,从工业建筑寿命上讲已经进入了老年期。伴随着各种结构构件的自然老化、破损,以及受到外界高温、高湿、酸碱性气体和各种人为因素影响,这类工业厂房结构可靠性及安全性已严重降低。因此有必要对已有工业厂房的主体结构承载力进行客观的验算,以对厂房的后续使用提供可靠的建议。

  1 工程概况
  
  介休市向明碳素实业有限公司原料车间建于 2004 年。该建筑平面呈矩形,长 31. 8 m,宽 12. 3 m,建筑总高度为 7. 85 m,总建筑面积为 403. 44 m2.该车间为单层空旷砖混结构,砖墙与砖柱承重,屋面采用轻型拱桁架承重,上覆轻型彩钢板。该结构为单层,墙体厚度 240 mm,结构四角及墙体中间每隔一定距离设置砖壁柱,距离墙体顶端 1. 5 m 处设置有钢筋混凝土圈梁。圈梁以上墙体在砖壁柱的位置设置有钢筋混凝土构造短柱。该车间外观及内部情况现状见图 1 和图 2.
  
  2 整体结构校核计算分析
  
  以实际检测结果为依据,结合原设计图纸等相关资料,按照实际的荷载条件及材料性能,对该设备库主要结构构件的承载力进行建模验算。

  2. 1 拱桁架结构承载力计算
  
  根据现场检测结果,结合现场测绘图纸,采用 MIDAS Gen 结构设计软件对该拱桁架结构建模并进行承载能力分析。MIDASGen 软件是一款主要面向建筑结构分析与设计的通用有限元分析软件,目前在世界各地的大中型工程项目中已经应用多年。拱桁架上下弦杆为 40 圆钢管,腹杆为 14 圆钢管。设计算模型分别见图 3.模型中结构自重由软件自动计算,荷载及计算参数的选取依据原设计图纸、结合现有结构做法和 GB 50009-2012 建筑结构荷载规范、GB 50017-2003 钢结构设计规范,详细参数见表 1.

  经计算,该桁架强度验算应力比,整体稳定验算应力比及杆件长细比均满足规范要求。网架杆件承载力计算结果见图 4.【1】

  
  根据上述验算结果,依据 GB 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准第 6. 3. 3 条的有关规定,对网架构件的承载能力等级进行鉴定评级,详细结果见表 2.【2】

  
  2. 2 整体承载力计算
  
  根据现场检测结果,结合原结构设计图纸,采用 PKPM 结构设计软件对该排架结构的承载能力进行建模验算。结构整体计算模型见图 5.为了简化计算,本次验算假设屋面拱桁架只充当水平系杆的作用,不提供抗弯刚度。模型中结构自重由软件自动计算,荷载及计算参数依据原设计图纸及《建筑结构荷载规范》《钢结构设计规范》《空间网格结构技术规程》选取,其中屋面荷载按照网架支座反力施加于排架柱顶,其他荷载参数及模型参数分别见表 3.

  经计算,该结构所有承重墙体的静力受压抗力与荷载效应比值均大于 1,这说明该结构所有墙体构件的静力受压承载力满足GB 50003-2011 砌体结构设计规范的有关要求,该结构墙体高厚比均未超过 GB 50003-2011 砌体结构设计规范表6.1.1 中允许限值。【3】

  
  3 结构可靠性鉴定
  
  根据 GB 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准第 7 节结构系统的鉴定评级要求,分别对地基基础、上部承重结构和围护结构三个结构系统的安全性等级和使用性等级进行评定。

  3. 1 地基基础
  
  根据前述现场采用 RTS-852R 全站仪分别对原料车间砌体结构整体垂直度、地基基础相对沉降变形进行观测的结果,并结合该结构上部墙体未发现有明显的裂缝的现状,表明该结构地基基础目前处于稳定状态,不会对结构安全造成影响。因此依据 GB50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准第 7. 2. 2 条,根据目前地基变形的现状,该厂房地基基础安全性评为 B 级。又依据 7. 2. 6条、7. 2. 7 条规定,将该厂房地基基础的正常使用性评为 B 级。

  3. 2 上部承重结构
  
  1) 上部承重结构安全性等级评定。上部承重结构的安全性等级,应按结构整体性和承载功能两个项目评定,并取其中较低的评定等级作为上部结构的安全性等级,必要时可考虑过大水平位移或明显振动对该结构系统或其中部分结构安全性的影响。

  a. 结构的整体性。结构整体性的评定应根据结构布置和构造,按 GB 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准表 7. 3. 2 的要求进行评定,并取结构布置和构造等级作为结构整体性的评定等级。

  根据前述检测结果,原料车间现有结构布置总体合理,结构选型正确,形成完整的系统,传力路径基本明确。目前该结构各类构件之间的连接未出现明显的松动、损伤。

  该原料车间建于 2004 年,受建设当时的设计、施工技术能力的限值,该结构在整体性构造及节点构造等方面与现行国家标准规范的要求存在一定的差距。但是该车间砖柱基本不存在明显外观质量缺陷及损伤( 除了?/④轴砖柱存在明显的损伤) .按照结构布置和构造、支撑系统两个项目,结构的整体性均评定为B 级。因此,该结构的整体性综合评定为 B 级。

  b. 结构的承载功能。经计算,该结构所有承重墙体的静力受压抗力与荷载效应比值均大于 1,这说明该结构所有墙体构件的静力受压承载力满足 GB 50003-2011 砌体结构设计规范的有关要求。

  根据拱桁架承载力验算结果可知,在正常受力的前提下,该屋面系统拱桁架结构的承载力基本满足正常使用要求,因此该部分构件的安全性等级按照构造和承载功能应评为 a 级。

  综上所述,依据 GB 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准第7. 3. 4 条的规定,该厂房的上部承重结构的承载功能应该评定为B 级。

  2) 上部承重结构使用性等级评定。上部承重结构的使用性等级应按上部承重结构使用状况和结构水平位移两个项目评定,并取其中较低的评定等级作为上部承重结构的使用性等级。

  按照损伤及构造,该车间墙及壁柱的使用性等级评为 b 级;按照变形现状,该车间墙及壁柱的使用性等级评为 b 级。则根据上述构件按照损伤和构造的使用性评级结果,该厂房上部承重结构的使用状况等级应评为 B 级。根据上述墙体构件按照变形现状的使用性评级结果,该厂房上部承重结构的水平位移项目等级应评为 B 级。该车间拱桁架按照构件的裂缝、变形、缺陷与损伤、腐蚀等项目进行评定,根据现场检测结果,该车间拱桁架使用性等级可评为 B 级。

  综上所述,该车间上部承重结构的使用性等级综合评为 B 级。

  3) 上部承重结构可靠性等级评定。综上所述,该厂房上部承重结构的安全性等级评为 B 级,使用性评为 B 级,因此上部承重结构的可靠性等级应评为 B 级。

  3. 3 围护系统
  
  根据上述检测结果并依据 GB 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准第 7. 4 节的相关规定,对围护系统的使用性等级进行评级,统计结果如表 4 所示。根据评级结果,该原料车间围护结构使用性等级为 B,综合可靠性评级为 B 级。【4】

  
  4 综合鉴定评级
  
  工业建筑物的可靠性综合鉴定评级,可按所划分的鉴定单元进行可靠性等级评定,综合鉴定评级结果列入表 5.【5】

  
  5 结论及建议
  
  1) 鉴定结论。依据 GB 50144-2008 工业建筑可靠性鉴定标准的有关规定,介休市向明碳素实业有限公司原料车间现有结构的可靠性等级为二级,该车间现有结构的安全性和使用性能能够满足正常使用的要求。

  2) 建议。a. 对有缺陷损伤的结构构件尽快采取补修措施,如存在开裂及碰损的墙体和壁柱,破损较为严重的窗户及室外散水。b. 对采用轻型钢拱桁架承重,上覆轻型彩钢板的临时性屋面围护结构,建议定期进行检查,及时维修更换。

  参考文献:

  [1] GB 50009-2012,建筑结构荷载规范[S].
  [2] GB 50017-2003,钢结构设计规范[S].
  [3] JGJ 7-2010,空间网格结构技术规程[S].
  [4] GB 50023-2009,建筑抗震鉴定标准[S].
  [5] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

关键词:

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