濟(jì)南綜合體體育場(chǎng)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)與分析

濟(jì)南綜合體體育場(chǎng)體育場(chǎng)鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)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(yùn)會(huì)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(diǎn):1)屋蓋跨度為122m,在國(guó)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(guó)內(nèi)外首次采用;3)構(gòu)造鋼拉桿(索)用來(lái)約束下部索桿體系的環(huán)向振動(dòng)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(diǎn)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(jì)要求環(huán)索在索夾內(nèi)不滑動(dòng)。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(guò)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(guò)火面積約1000m2,兩次火災(zāi)的過(guò)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(méi)有直接接觸,故兩次屋面火情基本未對(duì)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(cè)鑒定、變形測(cè)量、構(gòu)件內(nèi)力監(jiān)測(cè)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算與分析情況。3結(jié)構(gòu)識(shí)別和變形測(cè)量3.1結(jié)構(gòu)試驗(yàn)3.1.1表面檢測(cè)結(jié)果根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況,采用里氏硬度儀對(duì)選取的三個(gè)過(guò)火節(jié)點(diǎn)和一個(gè)未過(guò)火節(jié)點(diǎn)做鋼材硬度回彈對(duì)比檢測(cè)。在選取的4個(gè)節(jié)點(diǎn)上表面分別打磨出9個(gè)測(cè)試點(diǎn),打磨至達(dá)到測(cè)試要求后,進(jìn)行檢測(cè)工作,檢測(cè)工作依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬里氏硬度試驗(yàn)方法》(GB/T17394—1998)及《里氏硬度計(jì)》(JJG747—1999)的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。檢測(cè)結(jié)果表明,三個(gè)過(guò)火節(jié)點(diǎn)和一個(gè)未過(guò)火節(jié)點(diǎn)的鋼材硬度幾乎沒(méi)有差異,由此可斷定三個(gè)過(guò)火節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)中未受到損傷。3.1.2金相組織分析選取過(guò)火節(jié)點(diǎn)和未過(guò)火節(jié)點(diǎn)上方花瓣小柱根部各一處作金相分析對(duì)比試驗(yàn),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(yàn)金相組織。金相分析試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《金屬顯微組織檢驗(yàn)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(guò)火節(jié)點(diǎn)和未過(guò)火節(jié)點(diǎn)金相組織未見(jiàn)明顯差別;過(guò)火試樣表面沒(méi)有明顯的脫碳(圖4,5)。3.2變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析測(cè)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(duì),為屋蓋結(jié)構(gòu)安全性提供參考數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)精度符合《建筑變形測(cè)量規(guī)程》關(guān)于二級(jí)變形測(cè)量的精度要求,工程中采用QTS612全站儀(測(cè)角精度為±2″,測(cè)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(cè)量一環(huán),每環(huán)上間隔6～8m左右布設(shè)一個(gè)觀測(cè)點(diǎn),共90個(gè)觀測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖6,變形測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)第三、五、七環(huán)火災(zāi)區(qū)域測(cè)點(diǎn)與非火災(zāi)區(qū)域測(cè)點(diǎn)的測(cè)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?yàn)檫^(guò)火區(qū)水分蒸發(fā)后荷載有所減輕所致。4施工測(cè)量結(jié)果的計(jì)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(jì)算分析,主要是為了與內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果和變形測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,為火災(zāi)后體育館屋蓋主體結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定提供依據(jù)。計(jì)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(cè)量結(jié)果,更新計(jì)算模型節(jié)點(diǎn)坐標(biāo);2)根據(jù)屋面火災(zāi)過(guò)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(shí)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(jì)算溫度作用時(shí),根據(jù)濟(jì)南當(dāng)?shù)貧庀筚Y料和內(nèi)力監(jiān)測(cè)單位實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)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(duì)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(shí)溫度為-4℃,健康檢測(cè)時(shí)索體溫度為31℃,因此同步工況時(shí)取結(jié)構(gòu)溫差為35℃,不同步工況時(shí)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(jì)算模型見(jiàn)圖7,整體模型考慮了下部混凝土的作用,同時(shí)模型中也包含了風(fēng)帽桿件,與結(jié)構(gòu)的真實(shí)狀態(tài)較為接近。經(jīng)計(jì)算自重自平衡后(對(duì)應(yīng)弦支索張拉施工結(jié)束)節(jié)點(diǎn)最大豎向位移為29.1mm,最小豎向位移-11.2mm,實(shí)測(cè)最大豎向位移為30mm,結(jié)果基本一致。4.2實(shí)際額外負(fù)荷的位移該工況下節(jié)點(diǎn)最大豎向位移16.0mm,最小豎向位移-42.1mm,實(shí)測(cè)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(chǎng)內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果比較表明,張拉成形后的內(nèi)圈索桿預(yù)應(yīng)力實(shí)測(cè)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(shí)的實(shí)測(cè)值相比,此次實(shí)測(cè)時(shí)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(jì)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(cè)可能是測(cè)量索力時(shí)誤差偏大。與上月實(shí)測(cè)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(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)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(shí)測(cè)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(duì)屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)影響很小,未對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)造成損傷。(2)采用不同計(jì)算假定的整體分析模型理論計(jì)算位移值均與實(shí)測(cè)值差別較小,弦支穹頂下部索桿體系內(nèi)力實(shí)測(cè)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(diǎn)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(jì)要求。(3)火災(zāi)僅有三個(gè)主體鋼結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)有過(guò)火現(xiàn)象,其中一個(gè)略為嚴(yán)重,兩個(gè)較輕,由于鑄鋼節(jié)點(diǎn)過(guò)火區(qū)為實(shí)體鑄鋼,其成型時(shí)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(huì)對(duì)其造成影響,對(duì)其外觀進(jìn)行簡(jiǎn)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(guò)程中共發(fā)生兩次火災(zāi),前后相差約3個(gè)月,均為防水材料被引燃所致,并且國(guó)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(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)的蔓延,對(duì)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