某生態動物園鋼結構改造可行性鑒定與加固

李 剛,易 鑫,單曉菲,劉 敏

(1.湖南華城檢測技術有限公司,湖南 長沙 410017； 2.湖南中騰土木工程技術有限公司,湖南 長沙 410017； 3.湖南中力結構設計事務所有限公司,湖南 長沙 410017； 4.岳陽市規劃勘測設計院有限公司，湖南 岳陽 414000)

1 工程概況

某生態動物園鳥園地面鋼結構工程由大小兩個鳥園組成，覆蓋面積大鳥園為7 752.8 m2，小鳥園為4 398.7 m2，圍墻總長度為526.95 m。由于年代久遠，擬對該工程上部主體部分的天網、立網、下部圍網及其附件全部拆除并更換成新的不銹鋼鳥網和圍網。

2 現場檢測

現場對鳥網結構進行常規檢測，檢測結果見表1。

表1 常規檢測項目及檢測結論

3 改造方案

3.1 改造設計思路

1)拆除原天網和立網及其升降裝置吊框拉索、原有主拉索及升降裝置上的次拉索、邊柱上的工作拉索。

2)更換主拉索：安裝直徑φ19 mm-7×19的304不銹鋼鋼絲繩。

3)在前主拉索上新安裝φ8 mm-7×19的304不銹鋼鋼絲繩環形拉索。

4)新安裝不銹鋼網及其綁扎固定：采用304φ1.0-25 mm×25 mm網孔六邊型不銹鋼鋼絲網。

5)鋼件表面防銹處理。

3.2 材料情況

1)不銹鋼網采用304φ1.0-25 mm×25 mm網孔六邊型鋼絲網。

2)鋼索采用鋼絲繩：主拉索為φ19-7×19；所有環拉索鋼絲繩為φ8-7×19，上述鋼絲繩的鋼絲抗拉強度不小于1.40 kN/mm2，所有鋼線卡子、套環等構配件均需與鋼絲繩匹配，繩卡采用熱鍍鋅。

3.3 改造施工思路

1)改造前準備工作：a.全部索具試裝配；b.成片編織加工制作不銹鋼鋼絲網片，合理安排在高空的操作時間和工序。

2)邊柱微調及連接拉索：借助輔助拉索固定邊柱，使其柱頂水平偏移不大于0.3%，將主拉索對稱地與邊柱連接，避免在安裝過程中中柱受力不均，所有拉索安裝完畢后，進行拉索調整，施工時采用調整其水平拉力的方法，視中柱與邊柱的偏移情況進行微調整，調整過程應反復多次，時間不少于3 d，調整結束后，所有柱偏移須滿足GB 50205—2020鋼結構工程施工質量驗收標準第10.3.4條不超過H/1 000和25 mm要求。

3)安裝環向拉索和不銹鋼網：安裝環向拉索后基本不改變徑向拉索的原形狀，安裝不銹鋼網過程中隨時檢查各柱頂的水平位移值，如位移發展過快，應停止安裝，查明情況并處理后再進行施工。

4)安裝全部完成后，應重新檢查各柱頂的水平位移值，視實際情況進行調整，以備查考，微調結束后，封住各柱柱腳。

5)新不銹鋼網安裝完成后，進行腳手架拆除作業。

4 承載力計算復核

4.1 計算模型

采用Hpermesh有限元軟件[6]對結構進行整體建模，采用ABAQUS/Standard6.4[7]通用有限元軟件進行精細化計算分析，整體有限元模型如圖1所示。其中，鋼柱和鋼索采用B31梁單元，鋼絲網片采用S4R減縮積分殼單元，結構化劃分模型網格。

由于現場實際為帶孔洞的鋼絲網，采用殼單元模擬網片。根據網孔尺寸25 mm×25 mm進行面積換算。具體如下：單位面積Au內，網片體積Vu=Ac×25×2=39.25 mm3，等效為相同面積的鋼片，其厚度為t=Vu/Au=0.063 mm，鋼絲網等效方案如圖2所示。

4.2 邊界荷載條件及荷載組合

1)邊界條件。

結構邊界條件約束立柱和主拉索的地面節點的6個自由度，如圖1所示。

2)荷載條件。

結構荷載條件包括結構自重、風荷載和雪荷載，考慮工況一偏載和工況二滿載兩種不同工況。自重通過軟件施加全局加速度；風荷載取網架所在地區基本風壓：0.35 kN/m2，按50年重現期取值，B類場地。結構的風壓標準值按照公式計算，不考慮陣風系數[8]。

wk=βzμsμzω0

(1)

其中，βz為風振系數，取1；μs為體形系數，根據模型情況，偏保守取為0.6；μz為高度系數，取為30 m處值0.88。風荷載均根據截面投影寬度換算至主拉索和立柱上。施加采用線荷載，如圖3～圖8所示。

考慮鋼絲網上孔洞，按照孔洞率折算，折減系數取為0.1，鋼絲網上的風荷載標準值為：0.018 5 MPa。

中間立柱風荷載換算為：0.12 N/mm；

外側立柱風荷載換算為：0.06 N/mm。

結構雪荷載按照網架所在地區50 a重現期雪壓進行計算?；狙簽?.45 kN/m2，計算公式按照：

Sk=μrs0

(2)

其中，積雪分布系數根據網面夾角取為平均值0.55，可計算雪荷載的標準值為0.000 25 MPa。

3)荷載組合。

為校核結構強度，考察承載能力極限狀態下的基本組合，雪荷載組合系數為0.7。荷載組合后最大如式(3)所示：

S=1.2恒載+1.4×風荷載+1.4×雪荷載×0.7

(3)

4)本構關系。

鋼材采用彈塑性(硬化)本構模型[9]，Mises屈服準則，其應力-應變關系表達式如下：

(4)

其中，σi為鋼材的等效應力；fs為鋼材的屈服強度；fu為鋼材的極限強度，取fu=1.5fs；Es為鋼材彈性模量，取Es=2.06×105MPa；Est為強化模量，Est=ζEs；εi為鋼材的等效應變；εy為鋼材屈服時的應變；εst為鋼材強化時的應變；εu為鋼材達極限強度時的應變，εu=εst+0.5fs/(ζEs)，取εst=12εy，εu=120εy，ζ=1/216。

4.3 計算復核結果

1)在給定預拉力30 kN時，在偏載工況下，各構件應力計算結果如表2所示，應力云圖如圖9～圖13所示。

表2 偏載工況下應力計算結果

2)偏載工況下結構最大變形為1 046 mm，整體變形云圖如圖14所示。

3)在給定預拉力30 kN時，在滿載工況下，各構件應力計算結果如表3所示，應力云圖如圖15～圖19所示。

表3 滿載工況下應力計算結果

4)滿載工況下結構最大變形為1 875 mm，整體變形云圖如圖20所示。

5 改造可行性鑒定結論

根據現場實際檢測情況，結合有限元計算分析可知：

1)在偏載工況分析下，鋼立柱、鋼拉索和鋼網面局部最大應力均達到材料屈服強度，出現局部塑性變形，局部最大變形為1 046 mm。

2)在滿載工況分析下，該工程改造后拉索和鋼柱結構強度滿足承載力要求，主拉索需要施加500 MPa以上的預拉應力。在加載側向荷載后，主索和環向索的應力超過1 200 MPa，局部應力接近1 400 MPa，等效鋼網面最大應力達到304不銹鋼屈服強度，局部會出現塑性變形，局部最大變形為1 875 mm。

該改造方案基本可行，承載力基本滿足要求，但個別構件局部最大應力接近或者剛好達到材料屈服強度值，存在局部塑性變形，整體變形偏大。應適當提高拉索和鋼網的設計尺寸，確保結構有更多的安全富余量。

6 加固設計

該工程大鳥園中間AZZ柱高25 m，所測垂直度最大偏差為230 mm，接近規范允許值240 mm。為減小AZZ柱變形，綜合實際情況和委托方的要求，排除現場調直、置換構件等方案，決定本著加強結構整體性、提高結構綜合承載能力和經濟合理的原則對結構進行加固。

在AZZ柱8 m位置，增加3個203 mm×6 mm鋼支撐，新加鋼支撐如圖21所示。

鋼支撐根部新增C30混凝土獨立基礎，基礎置于原壓實土層上，地基承載力特征值fak不小于100 kPa。新加混凝土基礎如圖22所示。

AZZ柱新加鋼支撐后，長細比得到有效控制，現場加固施工后表明效果良好。

7 結論

1)現場對鋼結構進行了外觀質量檢查、荷載調查、結構布置核查、鋼構件截面尺寸檢測、鋼材硬度檢測、防腐涂層厚度檢測、垂直度檢測等多個項目的檢測，結果表明部分指標不符合原設計及驗收規范要求。

2)采用Hpermesh有限元軟件對結構進行整體建模，采用ABAQUS/Standard6.7大型通用有限元軟件考慮偏載和滿載兩個不同工況下的精細化承載力計算分析，結果表明該改造方案基本可行，但個別構件局部最大應力接近或者達到材料屈服強度值，存在局部塑性變形。整體變形偏大，應適當提高拉索和鋼網的設計尺寸，確保結構有更多的安全富余量。

3)新增加鋼支撐后，大鳥園AZZ柱變形得到有效控制，提高了安全系數。

4)本文的研究成果可為類似工程提供參考。