濟(jì)南綜合體體育場體育場鋼結(jié)構(gòu)檢測與分析

濟(jì)南綜合體體育場體育場鋼結(jié)構(gòu)檢測與分析

1下弦支索、鋼拉索、下索端布置濟(jì)南奧林匹克體育中心是2009年奧運會的主席性大廳。屋頂由鋼制成，采用屋檐和傾斜屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體系上部單層網(wǎng)殼為Kiewitt型和葵花型內(nèi)外混合布置,下部弦支索桿體系為肋環(huán)型布置,設(shè)置三道環(huán)索,局部布置構(gòu)造鋼拉桿。該結(jié)構(gòu)具有以下特點:1)屋蓋跨度為122m,在國內(nèi)外同類結(jié)構(gòu)中跨度最大;2)下部索桿體系為肋環(huán)型布置方式,為目前國內(nèi)外首次采用;3)構(gòu)造鋼拉桿(索)用來約束下部索桿體系的環(huán)向振動模態(tài);4)下部索桿體系的豎桿與上部單層網(wǎng)殼的節(jié)點采用平面銷接,下端與索夾相貫連接。環(huán)索均采用單根,索夾設(shè)計要求環(huán)索在索夾內(nèi)不滑動。2次火災(zāi)與火災(zāi)濟(jì)南奧林匹克體育中心體育館屋面共發(fā)生兩次火災(zāi),第一次于2008年7月27日發(fā)生,過火面積約3000m2,約占屋蓋總面積的四分之一。第二次于2008年11月11日發(fā)生,過火面積約1000m2,兩次火災(zāi)的過火位置如圖1所示。兩次火災(zāi)均為屋面防水材料被引燃,引發(fā)蔓延式火災(zāi)(圖2)。該屋面保溫采用巖棉阻燃材料(圖3),阻隔了火焰向主體鋼結(jié)構(gòu)的蔓延,著火屋面與主體鋼結(jié)構(gòu)沒有直接接觸,故兩次屋面火情基本未對主體鋼結(jié)構(gòu)造成損傷。由于第二次火災(zāi)遠(yuǎn)輕于第一次火災(zāi)。所以主要介紹第一次火災(zāi)的檢測鑒定、變形測量、構(gòu)件內(nèi)力監(jiān)測和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算與分析情況。3結(jié)構(gòu)識別和變形測量3.1結(jié)構(gòu)試驗3.1.1表面檢測結(jié)果根據(jù)現(xiàn)場具體情況,采用里氏硬度儀對選取的三個過火節(jié)點和一個未過火節(jié)點做鋼材硬度回彈對比檢測。在選取的4個節(jié)點上表面分別打磨出9個測試點,打磨至達(dá)到測試要求后,進(jìn)行檢測工作,檢測工作依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬里氏硬度試驗方法》(GB/T17394—1998)及《里氏硬度計》(JJG747—1999)的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,檢測結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明,三個過火節(jié)點和一個未過火節(jié)點的鋼材硬度幾乎沒有差異,由此可斷定三個過火節(jié)點在火災(zāi)中未受到損傷。3.1.2金相組織分析選取過火節(jié)點和未過火節(jié)點上方花瓣小柱根部各一處作金相分析對比試驗,取樣位置所用鋼材為Q345B,試樣鑲嵌打磨拋光后,用4%硝酸酒精腐蝕,檢驗金相組織。金相分析試驗依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《金屬顯微組織檢驗方法》(GB/T13298—91)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。金相分析結(jié)果表明:兩試樣的金相組織均為鐵素體+珠光體組織;從組織形態(tài)看,兩種組織接近平衡態(tài);過火節(jié)點和未過火節(jié)點金相組織未見明顯差別;過火試樣表面沒有明顯的脫碳(圖4,5)。3.2變形測量實驗分析測量火災(zāi)后單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的空間位置,與張拉完成后的空間位置進(jìn)行比對,為屋蓋結(jié)構(gòu)安全性提供參考數(shù)據(jù)。監(jiān)測精度符合《建筑變形測量規(guī)程》關(guān)于二級變形測量的精度要求,工程中采用QTS612全站儀(測角精度為±2″,測距精度為±(2mm+2×10-6D))。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)徑向每距離約13.5m測量一環(huán),每環(huán)上間隔6～8m左右布設(shè)一個觀測點,共90個觀測點,測點布置見圖6,變形測量結(jié)果見表2。通過第三、五、七環(huán)火災(zāi)區(qū)域測點與非火災(zāi)區(qū)域測點的測量結(jié)果比較,可以看出:火災(zāi)區(qū)域結(jié)構(gòu)比非火災(zāi)區(qū)域結(jié)構(gòu)Z向平均位移小1～2mm,這是因為過火區(qū)水分蒸發(fā)后荷載有所減輕所致。4施工測量結(jié)果的計算進(jìn)行屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)在當(dāng)前荷載溫度工況下的內(nèi)力和變形計算分析,主要是為了與內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果和變形測量結(jié)果進(jìn)行對比,為火災(zāi)后體育館屋蓋主體結(jié)構(gòu)安全性評定提供依據(jù)。計算分析考慮以下影響因素:1)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)施工單位提供的單層網(wǎng)殼焊接結(jié)束后,施工張拉前(未拆除支撐)的施工測量結(jié)果,更新計算模型節(jié)點坐標(biāo);2)根據(jù)屋面火災(zāi)過火區(qū)范圍、浸水區(qū)范圍和浸水荷載,確定屋面附加恒荷載,考慮機(jī)電設(shè)備尚未安裝,只安裝完成馬道的施工實際情況;3)考慮整體結(jié)構(gòu)在溫度作用下變形協(xié)調(diào)。計算溫度作用時,根據(jù)濟(jì)南當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和內(nèi)力監(jiān)測單位實際現(xiàn)場溫度測量確定鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的升溫值,采用整體結(jié)構(gòu)模型(包括下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))進(jìn)行靜力分析。根據(jù)混凝土和鋼材導(dǎo)熱系數(shù)的差別及工程相應(yīng)材料構(gòu)件截面尺寸的差別,溫度作用分析中對下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和上部主體鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫差取值考慮溫度同步和不同步兩種工況,施工張拉結(jié)束時溫度為-4℃,健康檢測時索體溫度為31℃,因此同步工況時取結(jié)構(gòu)溫差為35℃,不同步工況時取鋼結(jié)構(gòu)溫差為35℃,混凝土構(gòu)件的溫度變化考慮滯后效應(yīng)并參考濟(jì)南當(dāng)?shù)貧庀筚Y料,取月平均氣溫為27.4℃。4.1風(fēng)帽桿件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)整體計算模型見圖7,整體模型考慮了下部混凝土的作用,同時模型中也包含了風(fēng)帽桿件,與結(jié)構(gòu)的真實狀態(tài)較為接近。經(jīng)計算自重自平衡后(對應(yīng)弦支索張拉施工結(jié)束)節(jié)點最大豎向位移為29.1mm,最小豎向位移-11.2mm,實測最大豎向位移為30mm,結(jié)果基本一致。4.2實際額外負(fù)荷的位移該工況下節(jié)點最大豎向位移16.0mm,最小豎向位移-42.1mm,實測最小豎向位移為-36.3mm,結(jié)果基本一致。4.3索桿、撐桿預(yù)應(yīng)力變化結(jié)構(gòu)整體理論分析與現(xiàn)場內(nèi)力監(jiān)測結(jié)果比較表明,張拉成形后的內(nèi)圈索桿預(yù)應(yīng)力實測值偏低,內(nèi)圈徑向鋼拉桿與撐桿的偏差分別為-7.83%和-6.8%。與張拉成形時的實測值相比,此次實測時中圈、外圈索桿的預(yù)應(yīng)力變化均約在-10%以內(nèi),基本符合設(shè)計要求;內(nèi)圈索桿預(yù)應(yīng)力變化偏大,其徑向鋼拉桿預(yù)應(yīng)力變化約為-12.39%;內(nèi)圈環(huán)索預(yù)應(yīng)力變化-22.63%,與拉桿的變化不能平衡,推測可能是測量索力時誤差偏大。與上月實測值比較(溫度升高11℃),外圈徑向鋼拉桿、撐桿預(yù)應(yīng)力變化偏大,但各個測點所測得的變化值離散性較大;中圈索桿體系預(yù)應(yīng)力變化值在-10%左右,基本可以接受。5結(jié)構(gòu)性能實測分析(1)火災(zāi)后主體鋼結(jié)構(gòu)的鋼材硬度及金相組織均未發(fā)生明顯變化?；馂?zāi)對屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)影響很小,未對主體鋼結(jié)構(gòu)造成損傷。(2)采用不同計算假定的整體分析模型理論計算位移值均與實測值差別較小,弦支穹頂下部索桿體系內(nèi)力實測結(jié)果與彈性理論分析結(jié)果的規(guī)律基本一致,由此可以判定主體鋼結(jié)構(gòu)未因屋面火災(zāi)而出現(xiàn)體系和構(gòu)件、節(jié)點剛度退化,主體鋼結(jié)構(gòu)仍然處于彈性工作狀態(tài),結(jié)構(gòu)的性能符合設(shè)計要求。(3)火災(zāi)僅有三個主體鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點有過火現(xiàn)象,其中一個略為嚴(yán)重,兩個較輕,由于鑄鋼節(jié)點過火區(qū)為實體鑄鋼,其成型時淬火溫度很高(高于火災(zāi)溫度),所以鑄鋼的耐火性能很好,火災(zāi)不會對其造成影響,對其外觀進(jìn)行簡單修復(fù),就可繼續(xù)使用。6阻燃和難燃材料(1)濟(jì)南奧體中心體育館屋面在施工過程中共發(fā)生兩次火災(zāi),前后相差約3個月,均為防水材料被引燃所致,并且國內(nèi)還有很多防水材料被引燃導(dǎo)致火災(zāi)的案例。所以,防水材料的阻燃或難燃性能是非常重要的,是是否引起火災(zāi)的關(guān)鍵所在。因此,防水材料的阻燃或難燃性能應(yīng)引起足夠的重視。(2)工程著火位置在屋面上,屋面保溫采用巖棉,巖棉為阻燃材料,阻隔了火焰和溫度對主體鋼結(jié)構(gòu)的蔓延,對保護(hù)主體鋼結(jié)構(gòu)免受火災(zāi)損傷起到很大的作用,所以選用具有阻燃或難燃