浅谈单层钢结构厂房可靠性的状态评定方法

'西安建筑科技大学硕士学位论文单层钢结构厂房可靠性的状态评定方法姓名：张永利申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：姚继涛20040601 西安建筑科技大学硕士学位论文单层钢结构厂房可靠性的状态评定方法专业：结构工程硕士生：张永利指导教师：姚继涛教授摘要对于规模化的在役工业厂房群体的安全控制而言，日常的维护和监控有着重要而独特的作用，它们是保证在役工业厂房安全的第一道屏障，但是在我国目前的规范体系中，尚无既简便易用又能够指导维护、监控活动的规范。论文为此针对单层钢结构工业厂房提出了结构可靠性的状态评定方法，为维护、监控规范的制定提供理论依据。论文在阐述我国工业建筑使用状况和现有结构可靠性评定方法的基础上，通过分析钢结构厂房损伤、破坏的特点、规律和原因，指出结构状态与其可靠性之间的关系，并由此提出结构可靠性的状态评定方法的基本思想：结构状态是结构的外在表现，结构性能的衰退和可靠度水平的降低一般都可表现为结构状态的变化，因此通过对结构状态的分析和评价，可间接地对结构的可靠性作出评定。论文针对单层钢结构厂房，首先建立了状态评定方法的基本体系；根据结构可靠性的影响因素，进一步建立了作用、地基基础、柱系统、屋盖系统、吊车梁系统的评定指标和分级原则；专门研究了构件截面消弱、表面温度、构件变形等主要指标的评定方法；在此基础上，建立了厂房结构可靠性的综合评定方法。作为工程应用，对宝钢一炼钢落锤车间厂房进行了专门的研究。在现场调查的基础上，首先对厂房地基的沉降规律进行了分析，并根据状态评定的基本方法，建立了地基沉降的控制标准；鉴于厂房特殊的使用环境，还建立了构件表面温度的控制指标；最后，对该厂房进行了综合评价。论文研究内容和成果为钢结构工业厂房的可靠性评定提供了新的方法。与现行规范的评定方法相比，该法非常适合于工业厂房的日常维护和监控，弥补了我国规范体系的不足，对于规模化的在役工业厂房群体的安全控制有着特殊的作用，其基本思想和研究方法对于其它类型的厂房结构的安全控制也有一定的参考价值。关键词：钢结构厂房现有结构结构可靠性状态评定方法 西安建筑科技大学硕士学位论文MethodtoAppraisalReliabilityofMonolayerSteelStructuralWorkshopBasedoilStateAnalysesSpecialty：CivilEngineeringMaster’sname：ZhangYongLiInstructor：YaoJilhoABSTRACTRegularmaintenanceandmonitoringhaveimportantandspecialeffectOilsafetycontrolofscaledservicedindustrialworkshopsandprovideprimalsafegmL,{mteetoservedindustrialworkshops．Butinthepresentstandardsystemthereisalackofcriterionthatissimpleandusedeasilyandc目tnsupervisesmaintenanceandmonitoring．Stateappraisalmethodofstructurereliabilityofmonolayersteelstructureindustrialworkshopsisdevelopedandrenderacademicgistfortheestablishmentofmaintenanceandmonitoringcriterion．Basedontheillustrationoftheusingstateofindustrialbuildingsandthepresentappraisalmethodofstructuralreliability,thepaperindicatestherelationshipbetweenstructuralstateandreliability,byanalyzingthefeature、ruleandreasonofscatheanddemolishofsteelworkshop，andputsforwardthebasicviewofappraisalmethodofstnlcturalreliability．Structuralstateistheexternalperformanceofstructure；Thedeclineofstructuralperformanceanddecreaseofthereliabilitylevelareshownasthealterofstructurestate．Therefore，theanalysisandappraisalofstructurestatecanevaluatethestructuralreliabilityindirectly．Thepaperdevelopsthebasicsystemofstate—appraisalmethodaimingatmonolayersteelstructureworkshop；AccordingtotheinfluenceNctorofstructuralreliability,thepaperalsoestablishestheappraisalindexandgradationprincipletotheeffect、foundation、colunm-system、roofcovering-systemandcranegirder-system；theappraisalmethodofmainindexofunitsection’sshortening、surfacetemperatureanddeformationisespeciallyresearched；Theintegratedappraisalmethodofstructuralreliabilityofindustrialbuildingissetuponthebasis．AspecialresearchonthepylonfactoryofBao—steelStockLtd．iscarriedouttoilluminatemethodologicalengineeringapplication．Onthebasisoflocalesurvey,thepaperanalyzesthedeformationlawofthefoundationfirstly,andestablishesaconlxollingstandardofthefoundationseffiementaccordingtothemethodofstateapprfisal；Inviewofthespecialenvironmentoftheworkshop，acontrolindexofthesurfacetemperatureofelememissetup；Aintegratedappraisalontheworkshopisprovidedatlast．Theresearchcontentandpayoffsofthepapersuppliesanewmethodtotheappraisalofsteelstructureindustrialworkshops．Comparedwiththecurrentappraisalmethod，themethodisvery 西安建筑科技大学硕士学位论文suitablefortheregularnmintenanceandmonitoringoftheindustrialworkshop，andmakesupthescarceofthectarentsystem，andhasaspecialfunctionforthesafetycontroloftheinduslrialbuilding．Basicideaandmethodalsohassomereferencevaluesforthesafecontrolofothertypesofmillstructure．Keywords：SteelstructuralworkshopExistingstructureStructuralreliabilityStateappraisalmethod第1I页 声明y-1’616630本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：州’＼关于论文使用授权的说明日期：jooJ：f-．z7本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。f保密的论文在论文解密后应遵守此规定)论文作者签名：苏永科导师签名—如红荔日期：沙睁厶／7注：请将此页附在沧文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文1绪论1．1建筑业的发展和现有工业建筑的状况根据国家统计局1986年底的统计结果“1，我国城镇现有房屋面积46．8亿平方米，住宅22．9亿平方米，工业建筑13．5亿平方米，商业用房3．9亿平方米，文教、医、体及办公用房5．5亿平方米。如果折合成固定资产计算，工业建筑连同它们容纳的设备折合固定资产就达5000亿元以上，占当时国民经济总产值7000亿元的70％以上。我国钢铁工业经过百余年的发展“，特别是建国四十余年来的建设，建成工业建筑3500万平方米以上，已经颇具规模，这些建筑是我国钢铁工业生产进一步发展的物质基础，然而这些建筑中属于解放前遗留的已为数不多，解放后新建的大部分已经使用二三十年甚至更长，而且相当部分的使用期已经进入老年期。另外，在我国五六十年代建造的建筑物”，经过几十年的使用，已经不同程度的损伤和老化，特别是环境条件恶劣的纺织、冶金、化工等生产系统中的厂房损伤老化更甚。这段时期建造的建筑物，除了受当时的设计、施工技术水平和建筑材料发展水平等限制和影响外，还受到很多因素的影响，如设计时片面强调低指标、施工时片面的追求低成本、高速度，从而造成了相当数量的工业建筑的设计质量、施工质量、安全储备、使用寿命等先天不足，加上建成使用期间单纯的强调高产，使建筑物在重载、高温、腐蚀、疲劳、粉尘、潮湿等不同条件下处于综合性超负荷作业之中，加速了工业厂房的老化和损坏。另外，生产事故常常引起厂房结构直接损坏，不合理的操作造成结构构件局部损坏或累积性损伤，这些都影响了建筑物的正常使用功能。二次世界大战后，国际上发达国家的基本工程建设大致经历了三个阶段Ⅲ：第一阶段为大规模新建时期，第二阶段为新建和维修改造并重，第三阶段重点转移到旧建筑物的维修改造。比如瑞典1983年建筑业总投资的50％是维修改造的投资，英国1978年维修改造业的投资是1965年的3．8倍。我国一五期间新建建筑投资占基建总投资的95．8％，而六五期间用于新建的投资仅占45％，用于维修改造的费用与新建的费用相当甚至高于新建建筑所用的费用，我国建筑业已经开始从第二阶段步入第三阶段。然而在工业建筑管理方面，1980年以前，企业一般不太重视经常性的检修维护。并且缺少专业的管理人员和一套比较完整的管理制度，给当时建造的建筑物留下了不少隐患和缺陷，倒塌和破坏事故屡屡发生。据有关资料介绍，属三类建筑的面积占当时调查总面积的10％以上，危险建筑又占三类建筑的10％～15％，形势相当严重。随着工业生产的发展和技术进步的加快，工艺和装备的更新周期已经缩短到10～15年左右，相当数量的工业建筑物需要检查鉴定并进行技术改造。第1页 西安建筑科技大学硕士学位论文1．2现有结构可靠性理论的发展和应用1．2．1结构可靠性的基本理论和设计方法土木工程领域可靠性的研究是从本世纪40年代末到50年代初开始的81。在这个初创时期，前苏联学者斯特列律茨基、尔然尼采和美国的弗洛依登彻尔等做出了较大的贡献。弗洛依登彻尔教授引入全分布概率方法分析结构的可靠性，但由于该方法要求知道随机变量或随机变量函数的概率密度函数且必须进行二重积分或多重积分计算，在实际工程上很难应用而一般不用于实践。同一时期辛诺苏卡、土尔克斯除阿、洪华生等也作了许多工作：尔后康乃尔、洪华生、林德、拉克维茨和辛诺苏卡等人给出了用于结构设计和结构设计规范的概率方法，特别是仅要求具有平均值和标准差而不需推导全分布概率密度函数的一次二阶矩法被广泛使用，且通过该方法具体定义了度量结构可靠度或失效概率的可靠指标。解放以来我国对结构可靠性的研究和认识大致分为四个阶段”：一、1949～1962年，学习苏联经验，设计规范从容许应力法到破损阶段(最大荷载法)，然后到1962年采用三系数极限状态计算方法；二、1963～1970年出版的荷载、钢筋混凝土、预应力混凝土、冷弯型钢四本小册子，虽然在可靠性表达式不统一，但在表达式上均采用了容许应力法或最大荷载法，且对影响可靠性的诸因素进行了较为详细的分析；三、t971～1975年，采用多系数分析的半概率极限状态方法，制定的荷载、钢、薄钢、钢筋混凝土和砖石等五规范分别采用容许应力法和最大荷载法加以表达，但在设计原则上面未能协调一致；四、1972年2月中国建筑科学院负责并领导的设计、荷载、材料三个小组，自1976年以后开始研究合理的统一设计计算方法，决定荷载值、荷载系数和各种材料的统计参数，以顺应国际标准规范统一化发展的潮流，1984年我国出版了采用国际标准化组织(ISO)颁布的统一符号的《建筑结构设计统一标准》。1．2．2现有结构可靠性的基本理论和评定方法1987年赵国藩教授和李云贵博士讨论了旧有建筑物结构荷载效应和抗力的特性，给出了旧有结构可靠性分析的方法和程序，并对可靠性鉴定、破损状态的模糊分析等问题也进行了讨论⋯。1990年王光远教授提出了结构现有过程中的动态可靠度概念，讨论了动态可靠性的分析特点以及新建结构的可靠度、不维修结构的动态可靠度、结构的维修和拆除准则、维修方案的优化等相关问题41。李清富、刘晨辉“提出在主观概率的基础上对现有结构的破损状况进行了概率统计，建议两种确定结构破损指标D的概率分布的方法，对专家知识的差异及其修正和现有结构使用可靠度近似估计问题进行了讨论。郭书祥“”等基于可能性理论和模糊区间分析，依据区间分析的非概率可靠性方法，利用模糊变量描述结构的不确定性，建立了用于模糊结构和系统的能度可靠性模型，该模型可给出模糊可靠性指标的可能性分布和结构失效的可能性度量，并提供更多的关于结构安全程度的有用信息。董安正、赵国藩“”指出常规方法求出的模糊可靠度仅是一个平均值，平均可靠度与实际可靠度可能会有很大的差异，对于小子样样本的结构应力和强度，难以准确的确定其分布及参数，提出了给定置信度的建筑结构模糊可靠度置信区间第2更 西安建筑科技大学硕士学位论文；；；；；；；；；；；j；；；日_目；；；=；；；=；=；；；；i_=====一-的计算方法a基于模拟的结构可靠性评估中“”，直接根据极限状态的平衡的算法通常需要失效的双重定义，计算量相当大，结合互异变量递减技术的条件期望法能减少变量个数，加速收敛。在分析力学模型不完整的复杂结构可靠性时，可以通过蒙特卡洛法(概率模拟法)进行分析。然而，用极限状态多项式近似分析结构可靠性的响应面法o“，可以最大程度的减小结构可靠性的分析数量。通过选择试验点时“”对随机变量概率分布的信息组合和反应面最大可能的适合实际极限状态确定性的研究，验证了采用响应面法分析结构的可靠性的确可以减少试验的数目。CQ2RS法“”为一种新的响应面法(重复抽样的完全二次反应面法)，此方法基于数学统计，一方面允许考虑工程知识，另一方面允许使用响应面法统计公式减小试验的数目从而降低结构可靠性分析的工作量。响应面法的设计点可以通过统计获得，如果新实验的选择符合设计点估计值的统计值时，响应面法变得更加简化。在可靠性理论研究和应用过程中“6卜““，西安建筑科技大学在混凝土大气腐蚀、酸腐蚀、氯离子腐蚀、结构荷载的统计、分析等领域以及服役结构可靠性基本理论等理论的创建做了许多工作并且获得的结论又为相关规范的制定和修订提供了依据。建筑物的可靠性既决定于设计、施工阶段所形成的先天条件，也决定于后天的使用、维护和监控情况。对于服役的工业厂房，正确使用、维护和监控更具有现实意义，但我国的规范体系在工业厂房管理方面还有很多不完善的地方，还很难在较大范围内对工业厂房实施科学的管理。目前用于工业厂房评定的《工业厂房可靠性鉴定标准》“”(GBJl44—90)能够全面、准确的对工业厂房的安全性进行评定，然而评定过程要求对工业厂房系统进行深入的检测和复杂的力学分析，特别是对于规模化的工业厂房群体，每个厂房均进行系统的鉴定对工业厂房的管理者来说成本高、耗时长、工作量大，且管理时往往得此失彼。从现实角度讲，在日常的维护工程中及时发现建筑物的缺陷、损伤、隐患等更为重要，它们是保证建筑物可靠性的第一道屏障，但是目前规范体系中缺乏容易被工程技术人员掌握和便于应用的可靠性评定方法。因此，论文根据工业厂房使用过程地基变形、温度、构件变形、锈蚀、碰撞引起的截面削弱等结构构件状态的变化，制定一个基于状态评估的可靠性评定方法变得非常有必要。1．3本文的研究目的、内容在各类厂房中，钢结构厂房的状态变化一般较明显，且与结构可靠性之间具有更显著的关系。论文将以单层钢结构厂房为典型研究对象，通过分析地基沉降、温度变化、锈蚀、变形等状态指标与结构可靠性之间的关系，建立结构可靠性的状态评估方法，为单层钢结构厂房的安全监控提供实用的评定方法和监控标准。论文主要研究内容如下：1．现有结构可靠性评定的基本思想的方法；2．结构可靠性的状态评估方法的基本思想：第3页 西安建筑科技大学硕士学位论文3．钢结构厂房的调查和损伤、破坏分析；4．钢结构厂房可靠性的状态评定指标和体系；5．现有钢结构厂房可靠性的状态评定标准和方法；6．现有钢结构厂房可靠性的综合评定。第4页 西安建筑科技大学硕士学位论文2现有结构的可靠性分析和评定2．1现有结构的可靠性《建筑结构可靠度设计统一标准》(6850068--2001)规定⋯，可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下(正常设计、正常施工、正常使用，不包括人为过失的影响)完成预定功能的能力。结构可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。这个定义也适合于现有结构，但具体的含义和设计中的拟建结构存在一定差别。”㈤：(1)前提条件。拟建建筑物可靠性分析的前提条件是建筑物能够得到正常设计、正常施工、正常使用、正常维护，不考虑设计失误、施工缺陷、使用不当和维护不周等因素，但对于现有建筑，设计、施工已经完成，可靠性分析的前提条件建筑物在目标使用期内能够得到正常的使用和维护，如果原设计或施工存在缺陷，则必须考虑其对建筑物可靠性的影响；另外当现实中存在设计时未考虑或或新增加的作用时，则必须改变原先对作用的限制，将其纳入考虑之中：同时，为了达到当前具体的使用目的或提高结构的可靠性，可能会严格或增加对建筑物维护和环境控制的要求，改变原先对人类行为的限制程度或提出新的要求。(2)规定时间。可靠性设计规定的设计基准期为50年，具有工作寿命的含义。对于现有建筑，人们主要关心后续使用时间内结构的可靠性，其规定的时间是目标使用期，使用期的长短主要取决于结构的使用要求、使用计划及当前的技术状况，不是固定的，且较目前规定的设计使用年限短：(3)预定功能。一般情况下，现有结构的预定功能与结构设计时相同，但当结构的使用目的或工作条件发生改变时预定功能也会发生变化；(4)荷载和抗力。现有结构的荷载在很多方面与设计时不同，因环境影响引起的结构耐久性性洼能退化与抗力衰减，是现有结构可靠性的基本特征。现有结构的可靠性具体可定义为：在既定的工作条件下，在正常使用、正常维护条件下，在要求的目标使用期内，完成其预定功能的能力，其度量测度为结构的动态可靠度。即：掣pl，瓦J=尸∞1)(2．1)式中：f．一结构已正常使用的时间疋一希望结构再继续使用的时间，即结构的目标使用期Q。一该结构在未来r，年中，在预期的工作条件下能正常工作的随机事件。这个可靠度是时间和时间段的函数，因而可称现有结构的可靠度为结构服役过程中的动态可靠度。第5页 西安建筑科技大学硕士学位论文2．2现有结构的可靠性分析和评定2．2．1现有结构可靠·陛分析的特点现有结构可靠性分析实质上也是计算一定时间、一定条件和预定功能下的概率，与拟建结构的可靠性分析有相似之处，但也有其特点：(1)在评估荷载效应时，必须考虑服役基准期内最大荷载的预测，需要利用能体现后验性的条件概率来确定；(2)结构分析应更符合实际，在结构分析时，结构的计算简图、荷载的大小及作用位置应考虑结构的实际情况确定，且应考虑损伤对结构分析的影响；(3)现有结构的不确定性发生了变化，一些原来设计中的随机因索会改变其不确定性的程度，甚至转化为客观上确定性的因素。如忙^时刻，结构为已存在的实体，如果仅考虑结构的抗力是时间的随机过程RO)，那么R(‘)为随机过程的一个截口，不在具有随机性，即结构的抗力可以通过实测的办法求得。另外结构的恒载已经不是随机的，而是客观确定的量，一些活荷载的变异性也有所降低。(4)分析方法上采用定量分析和定性分析相结合，由于现有结构在服役过程中存在诸多的不确定因素，计算其可靠度时不可能、也不应该只靠计算求得，而应该综合各种处理方法，根据结构当前及服役过程中的状态和对未来受到的荷载作用的预测来估算，得出能为工程决策所用的结果。在评估结构的抗力时，不仅要充分利用结构的实测资料，而且要考虑结构在使用过程中的表现，即考虑结构工作和维修的历史记录。目前用于现有结构可靠性分析的方法有三种：(1)从寿命出发的概率分析方法，该方法不考虑结构失效的原因，仅考虑结构的使用寿命，计算简单，且易于和结构的风险程度相联系，但与结构的失效因素无法联系；(2)极大极小化的概率分析方法，该方法要求在结构的规定使用期内，功能随机过程z(f)的最小值大于零，则结构在整个使用期lo，BI内是可靠的，这样动态可靠性问题转化为静态可靠性问题，可靠性的随机过程模型转化为随机变量模型；(3)蒙特卡罗分析方法，该方法是直接计算不同f时刻的结构抗力R(f)与荷载效应s(r)两个随机变量，用蒙特卡罗方法求相应时刻的结构可靠度(结构的瞬时可靠度)，从而求得结构的动态可靠度变化规律。以可靠度或失效概率为量度的可靠性例，是结构在使用过程中质量指标的反应，是一个重要的指标。我国《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068--2001)采用可靠指标∥来衡量结构的可靠程度，该指标与结构的失效概率一一对应。卢大，竹小，可靠性高：卢小，只大，可靠性低，所以结构可靠度的计算可以等效为结构可靠指标口的计算。如图2．1所示“1，结构可靠性分析可采用如下三个步骤：①、收集结构随机变量的观测或试验资料，用统计方法进行统计分析，求出其分布规律及有关的统计量，作为可靠性计算的依据；②、用力学的方法计算结构的荷载效应，通过试验与统计获得结构的抗力，从而建立结构的破坏标准；③、根据结构第6页 西安建筑科技大学硕士学位论文的随机变量和破坏标准，用概率理论计算结构的可靠度。根据结构可靠性的定义，结构可靠性设计目可分为三种类型：1、已知结构尺寸、荷载、材料特性以及目标可靠指标，校准结构的可靠度；2、校准现行规范，给出规范中有关系数所对应的安全水准；3、在给定目标可靠指标下，计算现行舰荷载分量及其统计量材料性质及其统计量荷载的效应：内力、应力、位移或变形结构或构件的几fa』形状及其统计量结构抗力：屈服极限、塑性内力或容许位移、变形建立结构极限状态方程式：根据结构破坏标准建立结构极限状态方程式图2．1结构可靠性分析过程计算结构的可靠度：计算结构的失效概率、可靠度或可靠指标范设计表达式中的系数(分项系数)，得出具有新的分项系数下的表达式，以供设计之用。现有结构作为建筑物的一部分，其可靠性评估是通过对建筑结构的荷载(作用)、结构的各种抗力和功能进行检查、测定、试验、计算分析，在一定目标使用期基础上对结构的可靠性做出科学判断，与可靠性设计的目的相似。2．2．2现有结构可靠性评定的基本方法同拟建结构一样，现有结构的可靠性实质上也是一定时间、条件和预定功能下的概率预测，用于估计未来使用期内结构可靠或失效的可能性，但由于存在如下的原因，现有结构的可靠性又具有不同的特点：建筑物已转变为现实的空间实体：建筑物所处的环境更为具体和明确；建筑物和环境的历史提供了新的信息；对建筑物的要求可能与原设计存在差别。另外现有建筑物多数是依据过去的标准规范设计的，这些规范和设计标准采用的设计方法和所隐含的可靠度水平与现行标准规范不同，但建筑物的可靠度是否满足要求以现行的规范为基准评定，从而保证建筑物符合现实可靠度符合现时的要求。评定结构可靠度时，可按照如下的评定对象、评定方式、评定项目和分级标准建立评定体系，具体叙述如下：l、评定对象《工业厂房可靠性鉴定标准》(6BJl44—90)采用分级多层次综合评定方法对工业厂房进行可靠性鉴定。评定单元按照结构布置和支撑系统、承重结构系统和围护结构系统三个组合项目评定结果进行评定，每个项目又包含着若干子项，这样形成子项、项目或组合项目、单元三个层次，每个层次划分为四个等级。鉴定单元指整个建筑物或建筑物中相对独立的部分，属于可靠性鉴定的最高层次，最终根据本层次的评定结果给出建筑物的鉴定结论。功能系统包括鉴定单元中的承重系统、围护系统和其它系统。系统要素则指功能系统中各个组成部分，如承重系统中的各个承重构件。承重系统是鉴定单元的空间传力体系，并为其它功能系统提供支撑骨架，是鉴定单元中最重要的功能系统，一般划分为地基基础和上部结构两部分。围护结构是鉴定单元的防护系统，主要阻止和第7页 西安建筑科技大学硕士学位论文减少环境中各种不利因素的影响，包括自然力的风化作用、工业环境的侵蚀作用、生产活动中的不利影响(碰撞、磨损、锈蚀等)。2、评定方式鉴定单元的可靠性评定包括安全性、适用性和耐久性三个方面，但在形式上一般表达为安全性和适用性的评定，耐久性的评定可通过下列三种方式隐含或并于安全性、适用性的评定中：(1)、在结构的力学分析和校核中，考虑材料、构件性能可能发生的衰减，将耐久性直接反映于安全性和适用性的评定之中，不再对其单独评定。(2)、先假定材料、构件的性能在目标使用期内保持不变，对安全性和适用性进行评定，然后考虑耐久Jl生的影响，对安全性和适用性的评定结果进行修正。(3)、在同样的假定下对安全性和适甩|生进行评定，但要求在后期的使用中必须采取必要的措施保证材料、构件的性能不衰减或仅有较小的衰减。按照上述方法，鉴定单元的可靠性在形式上可根据系统要素的安全性和适用性综合评定：(1)、分别评定各系统要素的安全性和适用性，据此分别评定鉴定单元的安全性和适用性，然后根据鉴定单元的安全性和适用性综合评定其可靠性，该方法侧重于对整个鉴定单元可靠性的评定，符合结构体系可靠性理论的基本原理，能够对整个鉴定单元的安全性和适用性作出合理评定，为整个鉴定单元的宏观决策提供较好的技术依据；(2)、分别评定各系统要素的安全陛和适用性，并综合评定各系统要素的可靠性，然后根据各系统要素的可靠性综合评定鉴定单元的可靠性，该方法则侧重于对系统要素可靠性的评定，便于综合判定鉴定单元中可靠性不满足要求的具体部位和构件，但对整个鉴定单元可靠性的评定不甚合理。从保证整个鉴定单元可靠性的角度考虑，宜采用第一种评定方法，而且这种方法也包含了对具体部位和构件安全性和适用性的评定，同样能够判定鉴定单元中的薄弱部位和构件。当需要对建筑物中特定的部位和构件单独进行可靠性评定时，则可采用第二种方法。3、评定项目鉴定单元的可靠性评定包括安全性和适用性两个项目。安全性评定包括承重系统的安全性、围护等其它系统对承重系统安全性的影响以及邻近单元、周围建筑物对该鉴定单元承重系统安全性的影响。其中承重系统的安全性是安全性评定的核心，对鉴定单元的安全性起着绝对性的作用。围护等其它系统的影响可能来自于屋面漏水、散水开裂、防护设施失效等，邻近单元和周围建筑物等的影响则可能来自于变形缝的缺陷、地基附加应力的变化等。为便于评定，一般将它们的影响归并于承重系统安全性的评定中。鉴定单元的适用性，一般需根据承重系统和围护系统的适用性综合评定，其中承重系统的适用性主要根据变形、损伤、振动等评定，围护系统的适用性则主要根据它的各项功能评定。第8页 西安建筑科技大学硕士学位论文4、分级标准现有建筑物的可靠性一般采用等级制评定，分级标准以现行标准规范规定的可靠度水平为基准制定，但是在实际工程中，有效区别建筑物可靠度水平的实用标准，是最终对建筑物所采取的技术对策：如果采取的都是同一性质的技术对策，则建筑物的可靠度水平可视为同～等级；否则，为不同等级。因此，在确定建筑物可靠性的分级标准时，应综合考虑两方面的因素：建筑物满足或不满足现行标准规范的程度，最终对建筑物采取的技术对策。《工业厂房可靠性鉴定标准》GBJ144-90将安全性和适用性合并为可靠性，然后按子项、项目、单元三个层次进行评定，每个层次的可靠度水平均划分为四个等级。其中子项层次的基本分级原则如下：a级：符合国家现行标准规范要求，安全适用，不必采取措施；b级：略低于国家现行标准规范要求，基本安全适用，可不采取措施；c级：不符合国家现行标准规范的要求，影响安全和正常使用，应采取措施：d级：严重不符合国家现行标准规范要求，危及安全或不能正常使用，必须采取措施。钢构件、钢筋混凝土构件、砌体构件具体的分级标准都是按此原则制定的。5、评定体系CE业厂房可靠性鉴定标准》规定工业厂房可靠性评定时其评级层次和等级按照表2．1采用，包括评定单元、项目和组合项目评定以及子项评定，项目评定包括三个部分：结构布置和支撑系统、承重结构系统和维护结构系统。承重结构包括地基基础和上部结构，由于论文主要分析钢结构工业厂房的可靠性，所以评定承重结构系统的等级时仅考虑上部结构为钢结构的情况，而对于混凝土结构、砌体结构表中不作说明。结构可靠性评定按照如下顺序进行：评定子项可靠性等级；评定项目和组合项目的可靠性等级；评定单元的可靠性等级。综合以上对结构可靠性评定对象、评定方式、评级项目、分级标准以及评定体系的分析可知，采用《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44—90)和《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》(YBJ219—89)的分层分级法，可以得到全面、准确地评定工业厂房的可靠性，对于特别重要的建筑物能够准确的给出鉴定结果，然而这种鉴定方法需要具有专业素质和丰富工程经验的检测、鉴定人员对厂房进行系统、深入的检测、分析和计算，应用起来相当不便。对于规模化的在役工业厂房群体，厂房的正常使用、维护和监控是工业厂房群体第一道、也是最重要一道安全屏障。但企业内部对工业厂房的管理仍主要依据原则性的管理条例，在制定使用、维护、检查、加固、改造等计划时，存在较大的主观性，有可能遗漏存在较大缺陷或隐患的厂房。而将时间、精力、资金等用于不太重要的部分。针对此问题，需要建立～种简单有效且便于掌握的评级标准来判断结构的状态，使工业厂房的管理者能够有计划的对各个建筑物采取不同的措施，进行继续观测、维修、加固或者采取深层次全面检测。第9页 西安建筑科技大学硕士学位论文表2．1《工业厂房可靠性鉴定标准》的评级层次及等级划分层次评定单元项目或组合项目子项等级一、二、三、四A、B、C、Da、b、C、d结构布置结构布置和支撑布置支撑系统支撑系统长细比支撑杆件长细比地基、斜坡地基基础按结构类别同相应结构的子项范承重结基础桩和桩基桩、桩基围鋈构系统承载能力与构造和连接、变形、偏与元钢结构内差容屋面系统、墙体及门窗、地下防水围护结使用功能设施、防护设施构系统承重结构按结构类别同相应结构的子项2．3单层钢结构厂房的可靠性评定单层厂房结构是由一些构件组成的一个复杂的空间受力体系瞄1，为了便于进行厂房的受力分析，将结构分为以下子结构体系。(1)、屋盖结构：由排架柱顶以上各部分构件(包括屋面板、天沟板、天窗架、屋架、檩条、屋盖支撑、托架等)所组成，其作用主要是围护和承重以及采光和通风；(2)、横向平面排架：由横梁、横向柱列及其基础所组成的平面骨架，传递厂房承受的竖向荷载(包括结构自重、屋面活载、雪荷载和吊车荷载等)及横向水平荷载(包括风载、吊车横向制动力、横向水平地震作用等)到基础及地基：(3)、纵向平面排架：纵向排架由连系梁、吊车梁、纵向柱列、柱间支承和基础等构件组成，承受吊车纵向水平荷载、纵向水平地震作用、温度应力以及作用在山墙及天窗架端壁并通过屋盖结构传来的纵向风荷载；(4)、围护结构：位于厂房的四周，包括纵墙、横墙(山墙)、抗风柱、连系梁、基础梁等，主要承受墙体自重以及作用在墙面上的风荷载。一般情况下，纵向平面排架和横向平面排架通过屋盖结构和支撑体系相连接形成空间结构。对钢结构工业厂房的地基基础、上部结构的评定可以如上节一样采用《工业厂房可靠性鉴定标准》规定的方法进行鉴定。单层厂房钢结构或构件的鉴定包括承载能力(构造和连接)、变形、偏差3个子项，其中承载能力是主要子项，变形和偏差是次要子项。结构力学分析和校核时应遵守一下原则(1)、结构或构件的验算应按照现行国家标准执行，一般情况下进行结构或构件的强度、稳定和连接的验算，必要时还要进行疲劳、裂缝、变形、倾覆、滑移等验算；对I雪家现行规范没第10页 西安建筑科技大学硕士学位论文有明确规定验算方法或验算后难以判断等级的结构构件，可以结合实践经验和结构的实际工作情况，采用理论和经验相结合的办法，按照现行国家标准《建筑结构设计统一标准》进行综合判断；(2)、结构或构件验算的计算图形应符合实际受力和构造状况：(3)、结构验算时结构上作用经调查符合国家现行标准《建筑结构荷载规范》时，应按规范采用；当国家现行标准《建筑结构荷载规范》为作规定或有特殊情况时，按照国家现行标准《建筑结构设计统一标准》采用；作用效应的分项系数及组合系数按照国家现行标准《建筑结构荷载规范》确定，当有充分依据时，可结合工程经验分析判断确定；计算时还应考虑变形、温度等因素造成的附加内力；(4)、当材料种类和性能符合原设计要求时，材料强度采用原设计值采用：当材料的种类和性能与原设计不符或材料已变质时，材料强度采用实测试验数据。材料强度的标准值应按国家现行标准《建筑结构设计统一标准》有关规定采用；(5)、当钢结构表面温度长期大于150。时，应考虑温度对材质的影响；(6)、验算结构或构件的几何参数应采取实测值，并应考虑构件截面的损伤、腐蚀、锈蚀、偏差、截面削弱以及结构或构件过度变形的影响。根据表2．1的可靠性评级层次和钢结构工业厂房的具体特点，表2．2给出针对钢结构厂房的评定层次。支撑系统长细比项目根据表2．3评定的单个支撑杆件长细比的等级百分比评定。表2-2中围护系统的使用功能按照表2．4评定，其承重结构项目的等级评定根据其结构类别按结构构件的评定方法进行评级。地基基础的鉴定评级中地基项目宜根据地基变形资料结合上部结构开裂、吊车运行情况，按下列规定评级：A级：厂房结构无沉降变形或裂缝已终止发展，不均匀沉降小于国家现行《建筑地基基础设计规范》规定的容许沉降差，吊车运行正常；B级：厂房结构沉降缝在短期内有终止发展趋势，连续两个月地基沉降速度小于2mm／月，不均匀沉降小于规范规定的容许沉降差，吊车运行比较正常：C级：厂房结构沉降裂缝继续发展，短期内无明显终止趋向，连续两个月地基沉降速度大于2mm／月，不均匀沉降大于规范规定的容许沉降差，吊车运行不正常，但轨顶标高或轨距尚有调整距离；D级：厂房结构沉降裂缝发展显著，连续两个月地基沉降速度大于2mm／月，不均匀沉降大于规范规定的容许沉降差，吊车运行不正常，轨顶标高或轨距没有调整距离。第ll页 西安建筑科技大学硕士学位论文表2．2钢结构厂房可靠性鉴定评级层次鉴定单元项目子项一、二、三、四A、B、C、Da、b、c、d结构布置支撑系统长细比支撑杆件长细比与支撑系统结构、支撑布置地基、斜坡承载力基础构造、连接地基基础裂缝变形承重结构体系桩桩、桩基鉴桩基定承载力(构件、连接构造)苴地上承重一钢结构构件变形兀构件偏差屋面系统墙体、门、窗使用功能地下防水系统防护设施围护系统承载力构造连接承重结构裂缝变形表2．3钢支撑杆件长细比的等级标准支撑杆件长细比厂房情况支撑杆件种类abCd一般拉杆≥400>400，≤425>425，≤450>450无吊车或有中轻支撑压杆≤200>200，≤225>225，≤250>250级一L作制吊车厂房下柱拉杆≤300>300，≤325>325．≤350>350支撑压杆≤150>150，≤200>200，≤250>250一般拉杆≤350>350，≤375>375。≤400>400有重级工作制或支撑压杆≤200>200．≤225>225，≤250>250有≥5t锻锤厂房下柱拉杆≤200>200，≤225>225。≤250>250支撑压杆≤150>150，≤175>175，≤200>200第12页 西安建筑科技大学硕士学位论文表2．4围护系统使用功能的评级标准子项名称bd构造完有老化、鼓泡、开裂或多出老化、鼓泡、开裂、多出严重老化、腐蚀或屋面系统好、排轻微损坏、堵塞或漏水腐蚀或局部损坏、穿孔、局部损坏、穿孔、开裂水畅通现象有堵塞或漏水现象局部严重堵塞或漏水墙体及门窗框、扇完好，墙体及门窗或连接局部墙体及门窗或连接严墙体及门窗完好抹面、装修，连接和玻破坏，已影响使用功能重破损，部分已丧失使璃等轻微损坏用功能基本完好，虽有较大潮局部损坏或有渗漏现象多处破损或有较多的地下防水完好湿现象，但无明显渗漏漏水现象有轻微损坏，但不影响局部损坏已影响防护功多处损坏，部分已丧失防护设施完好防护功能能防护功能钢结构构件承载能力子项的鉴定等级参照表2．5评定，但对于结构杆件或连接构件有裂纹或锐角切口时，根据其对承载能力的影响程度直接评定为c级或d级。钢结构的变形子项的a级标准根据现行《钢结构设计规范》确定，b级及以下主要考虑对使用功能的影响，并结合工程经验确定，具体评级标准见表2．6。在使用过程中钢结构构件的偏差也是一种损伤，它可以造成杆件弯曲、侧弯、截面腹板或翼缘局部压弯、节点板弯折、构件不垂直等。钢结构构件偏差的鉴定等级按表2．7进行。表2．5钢结构或构件承载能力评定等级承载能力结构或构件类别(RIr。S)abCd屋架、托架、梁、柱≥1．1．<1．00。≥095<0．95，≥0．90a级变形，>a级变形，功能>a级变形，檩条其他屋盖≤胞00功能无影响有局部影响功能有影响第13页 西安建筑科技大学硕士学位论文续表2．6变形钢结构或构件类别abd桁架、屋架及托架≤U400>a级变形，>a级变形，功能>a级变形，主粱≤f／400腹梁功能无影响有局部影响功能有影响其他梁≤舵50轻级和Q-<50t中级桥式吊车≤U600>a级变形，>a级变形，吊车吊车运行无运行有局部影响>a级变形，重级和Q>50t中级桥式吊车≤胛50影响可补救吊车运行有厂房柱横向变形≤HT／1250>a级变形，影响，不可补>a级变形，吊车漏天栈桥柱的横向变形≤H，尼500吊车运行无救运行有局部影响厂房和漏天栈桥柱的纵向变形≤Hvl4000影响支撑砌体的横梁(水平向)≤们00>a级变形，>a级变形，功能压型钢板瓦楞铁等轻型墙皮横梁≤抛00功能有严重功能无影响有影响支柱≤E400影响注：1、表中，为受弯构件的跨度，H，为柱脚底面到吊车梁或吊车桁架上顶面的高度。柱变位为最大1台吊车水平荷载下的水平变位值。2、本表为按长期荷载效应组合的变形值，应减去或加上制作反拱或下挠值。表z．7钢结构构件的偏差评级标准偏差内容abc或d不大于天窗架、屋架和构件的不垂直度略大于a级允许构件的不垂直度天窗架、屋架和托架的不垂商度托架高度的1／250且值，且沿厂房纵向有足够的垂直大于a级允许值，不大于15ram支撑保证这种偏差不再发展且有发展的可能受压构件对通过主不大于杆件自由长度不人于杆件自由长度的l／660大于杆件自由长受力平面的弯曲矢的1／100，且不大于度的1／660高10mm不大于杆件跨度的略人于杆件跨度的1／660，且不大于杆件跨度的实腹梁的侧弯矢高1／660可能发展1／660吊车梁轨道中心对e≥lOmm，吊车吊车粱轴线的偏差e≤lOmmlOmm≤e≤20mm梁上翼缘于轨底e接触面不平直第14页 西安建筑科技大学硕士学位论文按照以上钢结构或构件承载能力、变形和偏差的鉴定结果，特别是承载能力的鉴定结果，结合地基基础评定、结构布置与支撑系统评定和围护系统鉴定获得的评定等级就可以得出鉴定单元的可靠性等级。因此根据规范规定的单层钢结构厂房的评级方法评定结构的可靠性时，鉴定单元的可靠性等级主要由承重结构体系的等级决定，且承重结构体系的等级又与构件的承载能力是否满足有关，即结构的可靠性是否满足主要与结构或构件的承载能力是否满足直接有关，这样结构或构件的承载能力计算变得相当重要，但是对厂房管理者来说，结构构件的承载力计算往往相当复杂，是一项耗时耗力的工作，特别对于同时管理多个工业厂房的管理者计算每个厂房、每种状态下结构或构件内力简直不可想象，这样亟需针对企业的实际需要，制定厂房安全检查的技术标准和使用维护指导书，为厂房管理提供技术支持。2．4小结本章通过论述现有结构可靠性的基本概念和目前规范《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44—90)规定的结构可靠性评定体系，指出了现有结构可靠性分析采用的规定时间、前提条件和预定功能与拟建结构可靠性的差异，认为现有结构的可靠性是指在既定的工作条件下，在正常使用、正常维护条件下，在要求的目标使用期内完成其预定功能的能力。论文详细的阐述现有规范《工业厂房可靠性鉴定标准》规定的结构可靠性评定方法，并针对单层厂房钢结构的评定进行了说明，认为针对现有结构可靠性评定的方法评定结构构件或整体时，主要依赖于结构构件承载能力的评定，按照构件荷载效应与抗力的比值确定构件的承载能力等级，这种方法可以获得准确的评定结果，但评定过程相当复杂，不利于管理工业厂房的部门进行日常的维护、监控。第15页 西安建筑科技大学硕士学位论文3钢结构厂房可靠性的状态评定思想3．1钢结构厂房的状态和可靠性3．1．1钢结构厂房的损伤特点和规律l、钢材和钢结构的特点钢材作为一种建筑材料，与其它建筑材料相比，具有自重轻、强度高、塑性韧性好、抗震性能优越、工业装配化程度高等众多优点，从而广泛使用于工业厂房。然而闭，由于钢材的性能和自身形成的缺陷以及钢结构构件的加工工艺、使用维护方法等引起钢结构破坏。比如构件加工制作时选用钢材的性能不合格、放样尺寸偏差、冷热硬化、热加工引起的残余应力；钢结构焊接时产生的焊接残余应力残余应变、应力集中、热影响区母材的塑性韧性降低以及气孔、裂纹、夹渣、未焊透等缺陷；铆接(或螺栓)连接时截面削弱、gel(或螺栓)松动、板件间紧密度不够等；钢结构运输、安装和使用维护过程中结构或构件产生较大的变形和损伤，服役期间建筑物地基不均匀沉降、出现较严重的腐蚀等都影响结构的可靠性。作为建筑材料中最常用的一种金属，钢材发生锈蚀是一个自发过程。国内外统计表明，建筑物中钢材锈蚀睛况严重，表3．1中列出了日本有关低碳钢在大气中挂片试验的测试结果，表3．2为参有微量元素的低合金钢腐蚀情况。表3．1不设防护层的低碳钢在大气中的腐蚀情况地区大气条件钢材每年平均锈蚀厚度(mm)空气洁净的农村0．叭～0．03一般市区和轻工业区0．03～O．06沿海地区和重工业区0．06～0．12表3．2低合金钢抗大气腐蚀性能年损失厚度使用环境钢种碳磷铜(ram)低碳钢0．200．02O．030．20上含锕钢0．200．02OT30O。n业区低铬钢0．090．200，400．048低镍钢O．2O．100．70O．05l低碳钢0．200020．030．24温带含铜钢0．200．01O．30O．15沿低铬钢0．100．140．400．069海低镍镊O．10O。100．700。076低碳钢0．250．080．020．52热带含铜钢O200．040240．45沿低铬钢0，070．080．10O．23海低镍钢0．200400．60O．19第16页 西安建筑科技大学硕士学位论文数据表明大气环境不同时在沿海和重工业地区低碳钢腐蚀严重，大气环境相同时低碳钢较合金钢腐蚀严重，高温潮湿环境中钢材的腐蚀量与其它条件下同类钢材的腐蚀量都大，此种现象说明，温度、大气的潮湿程度在钢材腐蚀过程中都起重要的作用。腐蚀不仅引起经济和资源上的损失，而且还引起钢结构构件的截面削弱，结构承载能力降低，而且腐蚀形成的“锈坑”促使钢结构发生脆性破坏的可能性增大，尤其引起构件抗冷脆性能下将、过早损坏或需要频繁维修。2、钢结构厂房损伤和破坏的特点和规律钢结构事故往往是由于其本身存在着缺陷并在其它因素作用下发展起来的，从一定意义上讲，钢结构产生缺陷和发生事故大体上具有相同的原因，缺陷往往是事故的前兆。根据前苏联研究人员对1970年以前事故的统计资料，作为建筑结构体系的的一种形式，钢结构在设计、施工和使用各个阶段都会存在一些问题(表3．3)。建造阶段的风险多来自设计、施工的失误和疏忽；正常使用阶段的风险主要来自非正常的外界活动，如自然和人为的灾害：老化阶段的风险主要来自各种损伤的积累和正常抗力的消失。而我国由于过去钢结构工程较少，缺少完整的统计资料，但是根据一些调查结果，使用阶段吊车梁发生事故较多，屋架损伤也很多，且主要发生在单层工业厂房中。表3．3各阶段钢结构事故原因百分比事故原因百分比设计原因183328制造原因382331安装原因223031使用原因221410表3．4钢结构各破坏类型在工程事故中所占的百分比％1951～1977正1951～1959年1950—1975年破坏类型59起事故69起事故100起事故整体或局部失稳22444l母材破坏塑性破坏68冷脆破坏271714钢材的疲劳破坏1653焊接连接的破坏152624螺栓连接的破坏43其它类型破坏1087第17页 西安建筑科技大学硕士学位论文从表3．4可以看出，钢结构的冷脆、疲劳、失稳、连接破坏所占比例较大。钢结构的连接方式有三种：焊缝连接、螺栓连接和铆钉连接，其中焊缝连接是现代钢结构最主要的连接方式。由于受材料性质、焊接工艺等因素影响焊接钢结构不可避免的存在各种缺陷，加上使用阶段的不利作用(如超载、低温、动载等)，焊缝连接成为最易出现缺陷和事故的连接形式，而在焊接钢结构的事故中，脆性破坏占到了75％以上。表3．5列举了焊接钢结构脆性破坏的情况，应该指出每个脆性破坏的实例并不是由某一个因素引起的，而是多个因素共同作用的结果。表3．5焊接钢结构脆性破坏实例统计序号影响因素破坏实例数所占百分比1钢材对裂纹的敏感性2620．62结构构造缺陷1814，33构件的焊接残余应力t1713．54钢材的冷作与变形硬化1411．15疲劳裂纹97．26其它焊缝缺陷97．27结构工艺缺陷97．28结构超载86．39构件的热应力64．810焊接热影响区的裂纹32．411钢材的热处理32．412焊缝的裂纹21．613钢材的冷加工1O．714腐蚀裂纹10．7总计126100m3、钢结构厂房损伤和破坏的类型按照钢结构的破坏形式，钢结构破坏类型包括以下几类：①、钢结构承载力和刚度的失效。承载力失效是指在正常使用条件下结构构件或连接因材料强度被超过而导致破坏，如钢材强度指标不合格、连接强度不满足以及使用荷载或条件变化时可发生承载力失效。刚度失效主要指结构构件产生影响其继续承载或正常使用的塑性变形或振动，结构或构件的设计刚度不足或结构支撑体系不够为刚度失效产生的主要原因。②、钢结构的失稳。钢结构失稳包括丧失整体稳定性和丧失局部稳定性，主要发生在轴心受压构件、压弯构件和受弯构件。两类失稳形式都将影响结构的正常承载和使用或引发结构的第18页 西安建筑科技大学硕士学位论文其它形式破坏，影响结构构件整体稳定性的因素有设计原因、构件的各类初始缺陷、构件受力条件的改变，影响结构构件局部失稳的因素有构件局部稳定性不满足、局部受力部位加劲肋构造措施不合理等。③、钢结构的疲劳。对存在中、重级工作制吊车的工业厂房，经常承受动力荷载的吊车梁系统，在工作期限内所经历的循环次数和实际循环应力特征超过设计采用的参数时，就很有可能发生疲劳破坏。④、钢结构的脆性断裂。该种破坏是极限状态中最危险的破坏形式，突然发生且破坏时的应力很低。构件所用钢材抗脆断性能较差、加工制作产生影响结构局部塑性、韧性限制其塑性变形的缺陷、应力集中、较厚钢板的三相受拉应力状态、低温和动载等因素都易造成结构构件脆性断裂。⑤、钢结构的腐蚀等。钢材与环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起材料的变质和破坏。钢材所处的环境不同”1，腐蚀睛况也不同，当钢材受到化学或电化学侵蚀时，钢材表面生成非金属性的物质断面产生缺损。按照腐蚀环境的不同可分为大气腐蚀、水腐蚀、酸腐蚀、高温腐蚀等。建筑物中钢材的腐蚀主要是由于水和氧气的作用发生典型的淡水腐蚀和大气腐蚀。结构构件截面削弱，可靠性降低。同时，钢结构的各种破坏形式又是相互联系和相互影响的，在一个事故中可能发生多种破坏形式，而且导致各种破坏形式的原因也具有一定的共性。3．1^2钢结构厂房损伤和破坏的原因结构构件在各个阶段都可能发生损伤和破坏，产生的原因如下：建造阶段包括设计、制作、安装三部分哺1。在结构设计时，由于设计人员缺乏工程背景和经验，过分依赖计算机，人为干预能力较差，另外片面追求低用钢量、低造价，从而结构设计时常出现以下问题：(1)、结构选型和设计方案不合理；(z)、荷载取值与实际受力情况不符；(3)、计算简图不当，结构计算错误；(4)、材料选用不妥，节点构造不合理：(5)、对施工阶段、使用阶段的特殊要求欠考虑。在钢结构制作阶段，制作工艺不良，设备落后，不按照图纸制作或制作尺寸偏差过大，不能严格遵守施工验收规范和操作规程的相关规定，制造后的钢结构构件存在原始缺陷、初始应力、变形。在安装阶段，安装顺序及工艺不当，吊装、定位、校正方法不正确，现场焊接或螺栓连接施工质量达不到设计要求，防火、舫腐蚀做法不合格，以上诸原因都使钢结构在使用前就存在不足，结构的可靠性不能满足正常设计、正常施工。第19页 西安建筑科技大学硕士学位论文在正常使用阶段，过大的地基下沉、超载、结构构件损伤、火灾、使用环境恶劣以及生产条件变化等原因都造成结构承载力降f氐、耐久性下将，结构的可靠性降低。钢结构老化阶段，各种缺陷和损伤日积月累，其可靠性严重降低，该阶段钢结构事故出现的可能性很大。然而由于技术和人为的原因，构件中常会有影响结构正常使用以及承载力、耐久性、完整性的种种隐藏和显露不足的缺陷存在，缺陷类型有先天性缺陷、加工制作缺陷、连接缺陷、以及运输、安装和维护中的缺陷。钢结构工业厂房主要包括地上部分的屋盖系统眇】口01、吊车梁系统、柱系统以及地下的地基基础，各类系统都有引起其失效的原因。(1)、钢屋盖系统首先钢屋盖承重构件是由壁薄、细长的杆件组成，截面形状复杂，节点应力集中又有偏心：其次设计屋盖系统时计算荷载、计算简图较正确，且接近计算极限状态，结构构件的承载力安全储备最小，对超载、温度和腐蚀作用十分敏感，容易因为偶然因素而失效，再加上制造、安装和使用过程中出现的各种影响，钢结构屋盖成为钢结构厂房破坏中最严重的部分。钢屋盖发生破坏包括屋盖倒塌、桁架杆件断裂(包括与节点板连接断开)、屋盖挠曲超标准、杆件弯曲、节点板弯曲或开裂、屋盖支撑屈曲等类型。使用过程中引起钢屋盖发生损环破坏的原因有：(1)屋面超载，尤其是积灰荷载过大；(2)、没有经预先设计，随意在屋架下弦悬挂重物，引起屋架受力变化；(3)、使用过程中高温和腐蚀作用严重影响屋盖的承载能力；(4)、使用中随意切割、去掉屋架杆件。(2)、吊车梁系统吊车梁系统是钢结构工业厂房的重要组成部分，包括吊车梁、铝《动结构、吊车轨道和连接。吊车梁受力复杂，且吊车的垂直力和侧向力具有动力特征、冲击和疲劳作用，比起屋盖系统吊车梁的计算简图、计算方法与实际情况差异更大、不定性更多，结构的耐久性和可靠性最低。实腹式吊车梁上翼缘与腹板焊缝和上翼缘与加劲肋焊缝、腹板、翼缘板都容易发生开裂，桁架式吊车梁损坏比实腹式吊车梁严重，上弦杆常在应力集中和扭矩的共同作用下产生疲劳裂缝而破坏。制动梁(桁架)的实际工作状态更复杂，在使用过程中常发生如下破坏：制动梁(桁架)与吊车梁连接破坏；制动梁上板开裂：节点板及其连接开裂；垂直支撑斜杆开裂；制动桁架杆件扭曲或开裂；辅助桁架腹杆丌裂。吊车梁与柱连接处常发生如下的破坏：制动结构与吊车梁连接焊缝开裂或螺栓松动；吊车梁与柱水平连接板焊缝开裂或螺栓松动：吊车梁与柱垂直连接板焊缝开裂或螺栓松动；吊车梁与吊车梁、吊车梁与柱连接螺栓松动等。吊车轨道及车挡常发生如下的破坏：轨道顶面和侧面磨损；轨道接头处损坏；轨道腹板处开裂；车挡固定连接松动；吊车轨道与吊车梁连接破坏。吊车梁系统发生如上的破坏设计、施工、使用管理方面都有原因。设计方面：(1)、设计荷载及作用特点考虑不全，吊车荷载以集中轮压形式作用在吊车梁长度方向任意点，总是偏心作第20页 西安建筑科技大学硕士学位论文用于吊车梁上，使吊车梁承受一组轮压荷载外还承受动集中扭矩，吊车在行使过程中产生纵向、横向水平力外，尚有卡轨引起的卡轨力，卡轨力在数值上大大超过了横向制动力，且此作用力很难计算。另外吊车梁荷载是一组动荷载，其反复作用造成钢材疲劳，产生疲劳破坏。(2)、吊车梁系统构造与计算简图不全一致。大多数吊车梁设计时按实腹式吊车梁或静定桁架梁计算，但实际上吊车梁与吊车梁在上翼缘和腹板处用连接板连接，上面尚有连续铺设的钢轨，在一定程度上简支梁成为连续梁，吊车梁与制动系统的连接，使吊车梁与制动系统共同工作；吊车梁与柱的连接使梁与柱形成不同程度的嵌固作用，限制了支座处的自由转动，吊车梁支座处产生负弯矩和转角而节点破坏。施工方面：(1)、吊车梁系统位置相对偏移、轨道安装偏心、轨道不平和弯曲使吊车梁处于复杂应力状态，容易疲劳破坏；(2)、吊车梁随意切割缺口和乱焊吊其它部件，使在缺口或焊物处应力集中，在重复荷载作用下加速疲劳裂缝的形成和发展；(3)、焊缝和热影响区金属母材存在微小裂纹以及焊接引起的裂缝缺陷在重复荷载作用下扩展，导致吊车梁疲劳破坏。使用管理方面，吊车超载运行，没有定时检查，及时维修轨道偏心、连接螺栓松动、吊车行驶晃动、冲击、卡轨等隐患。关于吊车梁系统的破坏情况，国外曾有人对使用了6～10年冶金企业吊车梁进行了调查，调查发现：吊车梁有裂缝的占30％；制动结构有裂缝的占25％；吊车轨道固定连接件破坏的占80％；吊车梁系统与柱子连接破坏的占50％；吊车轨道出现不容许偏心的占20％；有几何偏差的占70％。以上数据再次说明吊车梁系统中存在的裂缝和吊车梁系统的连接问题对吊车梁的安全性影响非常大。(3)、柱系统按照最不利荷载组合设计的柱子，由于荷载同时出现的概率很低，在正常工作条件下，实际应力低于设计应力很多，柱的安全储备相当大，出现破坏的可能性很小，发生柱整体承载能力不足的而导致破坏的情况很少。工业厂房的柱子常发生如下破坏：(1)、柱肢变形(弯曲、扭曲)；(2)、柱肢体有切口、裂缝；(3)、格构式柱子腹杆弯曲和扭曲变形；(4)、柱头、吊车梁支撑牛腿处焊缝开裂；(5)、柱子垂直倾斜，围护结构连接节点损坏，吊车轨道偏位；(6)、柱子标高降低，屋架下沉，影响生产；(7)柱脚及某些连接节点腐蚀损伤。柱系统发生以上事故的主要原因为：(1)、柱子与吊车梁连接节点设计与实际构造不一致，铰接设计连接成钢接，钢结设计连接成铰接，使柱子和节点产生附加应力；(2)、柱头和柱子有安装偏差，导致柱子内力显著增长：(3)、柱子常受吊车吊臂、运输货物的碰撞，导致柱肢弯曲、扭曲变形、切口和裂缝：(4)、高温作用使柱肢弯曲，支撑节点连接损坏开裂：(5)、地基使基础下沉，带来柱子倾斜、柱标高降低；(6)、周期性潮湿和腐蚀介质作用，导致柱局部腐蚀，柱子截面减少：(7)、节点构造不合理。(4)、地基基础第21页 西安建筑科技大学硕士学位论文地基事故，无论是天然地基还是人工地基上的事故，按其性质都可归纳为地基强度和变形两大问题。地基的强度问题主要包括：地基承载力不足或地基丧失稳定性，斜坡丧失稳定性。地基变形问题主要是指软土、湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等地区过大的变形和不均匀沉降。地基的破坏通常有三种形式：整体剪切破坏、冲切剪切破坏和局部剪切破坏。当上部荷载很大，超过地基极限荷载时，地基土从基础一侧到另一侧发生连续滑动面的破坏，破坏时基础四周地面隆起，房屋倾倒乃至倒塌，此种破坏为整体剪切破坏；冲切剪切破坏是指上部荷载使得地基土连续下沉，建筑物产生过大不容许沉降的破坏，破坏时基础切入土中，无滑动面，地面不隆起，房屋没有很大倾斜更不会倒塌。局部剪切破坏介于整体剪切破坏和冲切剪切破坏之间，破坏时滑动面从基础的一边开始，终止于地基中某点，地面略有隆起但房屋不会明显倾斜或倒塌。地基究竟发生哪一种形式的破坏，除了与土的种类有关外，还与基础的埋深、加荷速率等有关。在建筑工程中，由于对地基变形要求较严，地基失稳破坏相对于地基变形引起的破坏数量相对较少，但由于其破坏后果的严重性，特别是土的承载力较低时，应慎重考虑地基的稳定问题。地基变形不仅与上部结构的荷载有关，而且与土质的种类密切相关。软土地基指地基的主要受力层由高压缩性的特殊土组成(如淤泥、泥炭等)，这类土地基承载力低、沉降较大，按照中、低压缩性的地基的一般设计方法，地基变形很难满足要求。软土地基的变形主要反映在以下三个方面：(1)、沉降量大而不均匀，有吊车的一般单层工业厂房沉降量约为20～40cm，大型构筑物如水塔、料仓等其沉降量一般都大于NOcm，有的沉降量更大；(2)、沉降速率大，建筑物的沉降速率是衡量地基变形发展程度与状况的一个重要标志，软土地基一般在加荷终止时沉降速率最大，如果作用在地基上的荷载过大，则可能出现等速下沉，长期的等速下沉就有导致地基丧失稳定的危险；(3)、沉降稳定历时长，建筑物沉降主要是由于地基土受荷后，孔隙水压力逐渐消散，而有效应力不断增加，从而地基土固结引起的。软土的渗透性低，孔隙水不易排除，所以建筑物沉降稳定历时较长，有些建筑物建成后几年、十几年甚至几十年沉降都尚未安全稳定。3．13结构状态与结构可靠性之间的关系通过上节对屋盖系统、吊车梁系统、柱系统和地基基础破坏类型引起破坏的原因分析可知，结构破坏时都体现了结构构件状态的变化，如屋盖系统中屋架下弦随意悬挂重物造成屋架杆件变形和受力发生变化以及使用过程中屋架STir=表面温度升高和构件(或节点)腐蚀影响了结构的承载力，柱系统中柱肢遭受碰撞、腐蚀和藉疆作用时柱的承载力会严重降低直至破坏，地基基础的沉降变形不仅可引起整个建筑物下沉、倾斜，而且地基基础相对水平移动或转动还会引起柱倾斜，使柱在承受原有荷载的同时还承受地面施加的弯矩作用，原有荷载和附加荷载的共同作用会造成柱更加倾斜，承载力降低。以上所有情况表明，结构构件的状态与结构的可靠性有对应的关系，如结构构件锈蚀程度较轻时，对结构的承载力影响不大，但当结构构件锈蚀导第22页 西安建筑科技大学硕士学位论文致构件截面损失达到一定程度时，结构构件抗力就下降，在原有荷载作用下结构的可靠性降低。这样根据结构构件状态的改变来评定结构的可靠性成为可能。如图3．1所示一框架结构，柱与基础和横梁均刚接，假定柱高度为10．378米，梁跨度L为33．3米，梁、柱的抗拉刚度(EA)比为0．8：l，当梁、柱的截面宽度相等时，粱、柱的抗弯刚度比与截面高度的三次方成正比，即0．83；1=O．512：1，横梁上作用单位均布竖向荷载。采用《结构力学求解器》程序软件。”对此框架的内力进行分析，分别计算竖向荷载作用时、结构构件截面削弱时、构件表面温度增加时、地基变形等状态下的柱截面内力的变化。计算时没有考虑纵向柱间支撑、吊车梁、屋架支撑、托架等对所取结构的影响。表3．6中列出了各影响因素单独作用下截面受力情况。⋯{{3l¨⋯⋯川⋯⋯l{l川⋯¨I|⋯{以两侧柱底、柱顶的弯矩、轴力、剪力为研究对象，分析表3，6中各种因素作用下柱截面的内力图，可以得到各研究部位的内力变化情况及影响程度，详见表3．7，结论为：图3．1框架受力分析示意图表3．6各影响因素单独作用下钢框架的内力分析影响因素内力内力图形TTr粥：：：甜仃f荷”_恻蝎姒砒小删抖舳茹一”j载。妄苴弯矩{I独l■作￡．。{用下构件中qml】∞”】，H¨一⋯⋯l一⋯～u■的“一内轴力“t力_一u●m—u￡第23页 西安建筑科技大学硕士学位论文阡一l芹译1‘岸嚣．IE喳。⋯m。“≈*岣引出拱＆}u髦』”剪力，，”ou^nn11砷悭⋯m{￡j*’节0。弯矩毒}右d-：l，m。t，_摧Jl塞圭～一””“。“⋯⋯⋯一oj；寤轴力¨。I●器oI：韶”‘"rrr严尚-{半舟{耳．c嚣!尝，m!m。⋯毫*¨，蚺强曲心抽针姑舭}米剪力∞H目∞—．～_蛐K-r-1乎1蓄弯矩莲一⋯⋯#‘In¨⋯⋯一目⋯，⋯一艇nB●J水●∞蠢’_⋯m⋯_±-⋯2⋯∞橐轴力广r一|骨爷1卫弹再w鞲～脚。””。”划拱b蜘蚂剪力OdO{口d第24页 西安建筑科技大学硕士学位论文一1，，。岫”m⋯。．芒尝—呷幅：’i。弯矩“：鼍4“。’“⋯””8““’”。。1⋯”。主●m茔f孕表蠹J||l|I|JI||lI|IJIIIIIIIII|IIJlI||||I|IlI|Ill||I卜⋯Ⅱ⋯⋯⋯nn_Ⅷ度口内轴力_塾n-Ⅱ-留度15B⋯’⋯n‘Ⅲ，¨，⋯JILJl¨13¨“⋯⋯-●_¨j¨⋯l●_一|剪力"-8i13T什懈2。!：耕衍k3”礅蝴删删嬲删舯譬护3。．，疑，，。弯矩-埘2l世2慕2F79962≯J‰，9棼望罕截IHl‘1211。1211。3211‘121l‘1211。1211‘1211一121l一11．面66耱轴力．I66宠．166一I_时”啤带替详龋驻墼壁‘蝗到33‘010D】剪力目『||『(1)、在正常受力状态，框架柱的弯矩、轴力和剪力关于梁跨中对称；(2)、当柱基发生相对沉降(10IIlfn)时，框架柱受到的剪力不变，轴力、弯矩均有变化，右侧柱基下沉量大时，左侧柱柱顶弯矩增加、柱底弯矩减小，右侧柱柱顶弯矩减小，柱底弯矩增加；第25页 西安建筑科技大学硕士学位论文(3)、柱基向外发生水平相对侧移时，柱截面的轴力不变，两侧柱柱底弯矩、剪力变化很大，甚至出现反向弯矩，两侧柱柱顶弯矩降低，剪力减小；(4)、柱底截面表面温度增加时，如左柱柱脚截面内外温差50"C时，两侧柱柱底弯矩增加很多，柱顶弯矩左侧降{氐右侧增加，左侧柱轴力减小，右侧柱轴力增加，两侧柱的剪力均增加；(5)、当结构遭受腐蚀、碰撞等因素截面削弱时，两侧柱柱顶、柱底剪力减小，截面削弱柱的轴向力增加，另一侧柱的轴向力减小，但变化均不大。对于柱截面弯矩，左柱柱顶弯矩增加，左柱柱底、右柱柱顶、柱弯矩均减小。表3．7各因素对柱截面内力影响的百分比＼＼位置左柱柱底左柱柱顶右柱柱底右柱柱项艨＼弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力支座竖向移降升降动10tlff[i3l％4％15％4％31％5％15％5％支座水平移．93．82．6降2．6．93．8．2．6降-2．6动10m41．7．12．322％．12341．712322％12f3柱根截面温203．7降升降升度升高50℃41．79％1．1124％9％1．112．678％1．1135％8％1．11构件截面损降升降升降伤5％4％0．6％01．1％2‰0‘6％ol_1％3％OXi％o1％4％o0．6％o1％注：1、支座发生水平相对位移和截面温度变化时，柱顶、柱底截面弯矩与剪力改变符号，差值很大，上面表示变化后的数值，下面为原始条件下的数值；2、表中升、降百分值都是针对原始条件下的值。根据以上分析，与正常条件相比，柱基发生水平相对移动对柱的内力影响较大，柱表面温度的增加也影响柱的受力情况，柱部分截面的削弱对截面的受力影响很小。对于屋架可以进行如下的分析。如图3．2所示建立一梯形屋架计算模型，屋架跨度17．7m，端杆高1．813m，坡度为1／12，屋架端杆承受集中荷载0．5P，其它上弦节点承受集中荷载P，取荷载P为2KN。经计算，上弦杆最大弯距与对应杆件轴力的比值约为0．02，弯矩值相对较小，杆件的承载力按轴心受力构件控制，屋架腹杆和下弦杆为轴向受力构件，承载力由轴向力控制。当屋面荷载都作用在结点时，一般情况下不考虑节点刚性第26页 西安建筑科技大学硕士学位论文引起上弦杆的次应力，当节点间作用有荷载，可以先将节点间荷载分配到相邻的节点，按只有节点荷载作用计算各构件的轴力，对于直接承受节点间荷载的构件用计算所得的轴力与节点间荷载产生的局部弯矩相组合，按照压弯构件计算。论文中讨论屋架时，不考虑节间荷载，认为屋面荷载均作用于屋架上弦节点。因此当屋架各构件之间铰接连接时，构件仅承受轴向作用力，构件变形、支座沉降、温度变化、截面损伤等因素不会引起附加应力。但是构件变形会引起附加弯曲，引起构件截面受力不均匀；截面损伤、腐蚀引起杆件截面面积减小，在构件承受的轴向力保持不变情况下，削弱截面上的平均应力比其它截面的应力大，过度削弱的截面将成为杆件的薄弱部位，从而易发生脆性破坏。另外截面削弱还会引起截面回转半径的变化，如矩形截面的回转半径i=、孵爿=√3^／6，在截面一边长度保持不变时，回转半径与截面的另一边成正比，即截面高度(或宽度)的减小都会引起回转半径的减小，构件的长细比在构件计算长度不变时将增加，从而长细比超过规范规定：温度过高或过低时，钢材的材料特性将受至Ⅱ影响，从而影响到整个体系的受力特点。对于钢结构工业厂房的其它结构组构件，如吊车梁、托架、柱间支撑、屋盖支撵等，温度、变形、损伤等因素对会对其可靠性产生影响，具体分析将在后续章节中给出。因此针对具体的单层钢结构工业厂房，柱基变形、构件截面削弱、构件表面温度增加以及构件发生变形时都会在构件中引起附加内力，当结构构件以截面边缘纤维屈服作为其极限状态进行设计时(不考虑构件截面的塑性发展)，任一种引起结构构件截面附加应力达到O．11^的结构状态就使结构构件处于危险的临界状态o“，通过分析不同结构状态对结构附加内力的影响，逐次得出各状态因素对工业厂房可靠性的影响系数，这样根据结构的状态判断结构构件承载力的可靠性成为可能。该方法即为基于状态的评估方法。3．2结构可靠·陛的状态评定方法3．2．1基本思想厂房结构的可靠性一般是通过对两方面因素的分析来评定的：结构性能及其防护措施，作用以及限制作用的措施。前者代表抗力，后者代表作用。通过对结构承载能力和施加于结构的作用效应分析，判断结构抗力、作用效应之间的关系，就可以对厂房结构的安全状态作出评定。这种方法要求对结构进行准确的力学分析和校核。但是，结构的性能在很大程度上可通过其实际的状态表现出来，通过对结构状态的检测和分析，也可对结构可靠陛作出评估。如果厂房的原始设计不受怀疑，则可判定厂房结构相对其原始设计的可靠度水平，并以此为依据对厂房的使用作出决策。这种方法可称为基于状态评估的可靠性评定方法，结构可靠性的状态评定方法就是从这种方法延伸而来的。采用状态评定方法时，需综合考虑以下两方面的因素：结构状态及其发展趋势，结构状态第”页 西安建筑科技大学硕士学位论文的影响后果。结构状态属于结构的外在表现，可在一定程度上反映结构的安全水平。结合对结构上作用的分析，能够对厂房结构状态的影响后果作出分析，包括对厂房使用功能、结构安全、设备运行等的影响，从而对厂房结构的安全状态作出评定。这种方法需要掌握结构实际的使用状态。按结构状态对其可靠性进行评定时，并不能完全以结构当前状态的检测值为依据。虽然检测值反映了构件当前实际的状态，是评定构件适用性的重要依据，但评定的最终结果以构件状态的预测值为依据的，因此还必须考虑检测时未出现但未来可能出现的各种影响因素，如量测变形时尚未出现屋丽活荷载、积灰荷载、吊车荷载等。按结构状态对其可靠性进行评定时，还必须注意结构状态的可逆性。如材料、构件、施工的大部分缺陷和构件使用时的损伤、腐蚀、锈蚀等引起的钢材强度降低、构件截面削弱等状态都是不可逆的，而吊车梁在吊车荷载作用时在弹性范围内产生的变形是可逆的，即当吊车荷载远离该吊车梁时，变形将恢复到变形前的状况，这种情况下可靠性不能按照状态方法评定。如果测试时结构构件已呈现出最不利或接近最不利状态，如吊车梁在吊车满载运行时的变形也可以采用状态评定方法。总之，状态评估方法可以这样定义：以地基位移、构件变形、构件损伤等结构状态为指标评定结构可靠性的方法。这种评价方法的精度相对较低，主要是针对企业技术管理的需要提出的，目的是协助企业对结构的使用作出决策，其评定指标便于检测和分析，且与结构可靠性有着内在的联系，可以避免复杂的力学分析和承载力校核。厂房结构的安全状态按等级制评定，各层次的安全状态均划分为I、II、III、Ⅳ四级，并采用如下的分级原则：I级在预定的使用周期内，在正常的使用、维护、监测条件下，可安全使用；II级在预定的使用周期内，除了保证正常使用，还需采取规定的维护、监测措施：III级短期内(1～2年)需进行可靠性鉴定或采取维修、加固措施；Ⅳ级需立即进行可靠性鉴定或采取维修、加固措施。3．2．2基本评定体系目前，状态评估方法在《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292—1999)论述较多，在《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44—90)涉及有限。如《民用建筑可靠性鉴定标准》规定：地基、桩基的安全性可以根据沉降差、沉降速度和上部结构的沉降裂缝、变形或位移等状态来评定；地基基础的适用性可以根据以下两个因素评定；对上部结构和围护系统正常使用的影响，对相关设备正常使用的影响，在这一点《民用建筑可靠性鉴定标准》主要从第一方面对上部结构和围护系统正常使用的影响进行地基基础正常适用性评定，《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44-90)在评定地基基础正常适用性时还考虑了地基变形对吊车正常运行的影响。如果承重构件实际的状况已充分表明其安全性难以保证时，可以实际情况为依据进行评定，对于不第28页 西安建筑科技大学硕士学位论文同材料的上部结构构件，可以分别按照“不适于继续承载的变形”、“不适于继续承载的裂缝”、“不适于继续承载的腐蚀”等评定上部结构承重构件的安全性；上部结构构件适用性的评定包括变形、缺陷、振动、构造四个项目，在评定时应综合考虑构件状态的检测值并考虑测试时未出现的影响因素，还应考虑构件状态的可逆程度；围护系统适用性的评定内容主要包括建筑功能和防护功能，通过评定其功能是否完备、功能是否有效来确定其最终评定结果。参照《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB50292-99)的状态评估方法，很容易类推使用于单层工业厂房的状态评估内容。采用基于状态评估的方法评定时，需综合考虑以下两方面的因素：结构状态及其发展趋势，结构状态的影响后果。根据状态评估概念和结构组成的分析，分别评定承重系统和l訇护系统的安全性等级，在此基础上评定单元的安全性等级。承重系统包括地基基础、柱、吊车梁、屋盖系统和楼梯走道，围护系统包括屋面、墙面和地面三部分，具体的系统要素及评级时单元、功能系统和系统要素之间的层次关系见表3．8。表3．8厂房结构安全状态评定层次评定单元功能系统系统要素构件型式桩基钢管桩基地基基础基础混凝土独立基础基础梁钢筋混凝土基础粱框架柱实腹式柱柱斜腹杆双肢柱抗风柱(同框架柱)柱系统柱间支撑柱支撑水平支撑抗风桁架承重系统平行弦托架托架，托粱屋盖系统屋射屋面梁梯形屋架厂房单元天窗架和挡风架纵向天窗屋盖支撑吊车梁桁架式吊车粱制动结构制动桁架吊车梁系统吊车梁支撑辅助桁架楼梯和走道屋面板及其檩条屋面挡风板及其檩条围护系统墙架柱墙面墙板及其檩条地面第29页 西安建筑科技大学硕士学位论文表3．9给出了结构状态及发展趋势的影响因素，指出了地基基础平移、沉降、转动、损伤以及结构构件变形、构件和连接损伤以及作用与构件上的应力水平是结构构件、地基基础的状态评定的影响因素。通过测定结构构件变形、柱基位移、构件表面温度和截面损伤等状态指标值，均可以判定工业厂房地基基础、结构构件的状态。构件损伤包括碰撞、截面锈蚀、节点焊缝开裂以及螺栓连接时螺栓松动、螺栓剪断等引起截面削弱的一切原因。结构的状态还与施加于结构上的作用密切相关，动力作用、偶然作用、竖向荷载、吊车荷载、腐蚀作用都可能引起结构瞬间内力的变化，如在反复荷载作用下存在损伤的构件比在单调荷载作用下更易发生疲劳破坏，造成结构由安全状态转变到危险状态。因此采用状态评估方法评定结构的可靠性时，还要考虑施加于结构上的作用形式、作用的变化程度，充分考虑其对结构状态改变的影响。各种可能出现的作用形式见表3．10。表3．9影响结构状态及发展趋势的因素评定对象结构状态及其发展趋势说明地基总变形量(沉降和平移)地基变形速度地地基变形发展趋势变形和位移基础相对高差基基础相对平移基基础转动础轨距和轨顶高差基础损伤损伤基础梁损伤柱位移柱系统的振动托架、屋架挠度变形和振动屋盖振动结吊车梁挠度构吊车梁系统振动构塑性损伤(局郝撞伤、衷面划痕等)胞l生破坏(开裂、断裂等)件局部屈曲(侧向屈曲、失稳等)构件损伤高温损伤(烧伤、烤伤、割伤、焊伤等)锈蚀防护失效(舫腐、防撞、隔热、隔振等)第30页 西安建筑科技大学硕士学位论文续表3．9评定对象结构状态及其发展趋势说明连接开裂焊缝连接损伤连接锈蚀连接板损伤螺栓松动高强度螺栓连连接滑移接损伤连接锈蚀连接板损伤节点损伤(同连接)应力水平应力幅楼梯和走道围护功能屋面屋面檩条状况围护功能墙面墙面檩条状况地面使用功能表3．10结构上的作用形式恒荷载竖向荷载活荷载灰荷载竖向荷载吊车荷载横向水平荷载纵向水平荷载主设备振动磊动力作用冲击荷载羹爆炸别偶然作用碰撞气态介质腐蚀腐蚀性水腐蚀腐蚀作用酸碱盐溶液腐蚀固态介质腐蚀腐蚀土腐蚀第31页 西安建筑科技大学硕士学位论文3．3小结本章详细分析了钢材的优缺点以及钢结构工业厂房从建造到使用、从设计到施工各个阶段原始缺陷、环境因素、人为因素、技术条件等方面阐述了钢结构发生事故的原因，认为钢结构腐蚀是钢结构材料的天然缺陷，在不同的环境中钢结构发生腐蚀的类型和速度有所不同。钢结构存在多种破坏类型，包括承载力和刚度失效、钢结构失稳、疲劳破坏、脆性断裂和腐蚀等形式。针对钢结构工业厂房，屋架杆件屈服断裂、变形过大、丧失稳定性以及柱截面承载力不足、吊车系统变形较大、桁架杆件屈服等情况的发生都会引起整个结构结构不能继续正常使用。论文还对屋架、吊车梁、柱子的破坏类型和发生破坏的原因进行了详细分析，认为在工业厂房中柱子的地位相当重要，但因设计考虑的最不利荷载组合现实中很难达到，富余系数较大，屋盖系统变得对外界作用最敏感从而最易于发生事故。吊车梁系统受力条件复杂，正常使用时受到动力荷载的作用，易发生疲劳破坏。论文以一榀框架为例，使用结构力学求解器程序简单分析了正常情况、支座竖向相对移动、水平相对移动、相对转动、构件表面温度增加、构件截面削弱等状况下构件截面内力变化情况，论证了结构状态改变与结构构件内力变化的关系，得出了各状态因素变化时柱中内力的变化规律：柱基发生水平相对移动或相对转动时，柱截面中产生的附加弯矩很大，而柱截面削弱对整个结构内力的影响不大，柱表面温度增加产生的附加内力相当大，甚至可使截面反向屈服。论文还对均布荷载作用屋架杆件的受办隋况进行了分析，当屋架两端为铰接时，屋架腹杆、下弦杆均为轴心受力构件，屋架上弦杆件承受的弯矩与轴力与轴力相比较小，也可以近似的按照轴心受力构件计算，这样屋架各杆件均可按照铰接计算杆件内力。对于上弦杆件节点间存在荷载作用时，在将节间荷载转化为等效节点荷载计算整个结构的受力外，仅对节间荷载作用杆件进行弯压或弯拉计算。论文阐述了基于状态评估的可靠性评定方法基本思想和基本概念，给出了基于状态的结构可靠性评定层次、影响各结构构件评级的状态指标和与结构状态评定密切相关的施加于结构上的作用。第32页 西安建筑科技大学硕士学位论文4钢结构厂房的状态指标和评定方法4．1钢结构厂房的状态指标根据影响结构状态及发展趋势的主要因素及结构可靠性的状态评定概念方法，并考虑到现场调查、检测的可行性，给出了各评定对象的评定指标，见表4．1～表4．5。表4．1列举了施加于结构上的作用和作用指标，不同的作用大小对结构的可靠性影响不同。如在结构使用过程中竖向荷载严重超载、动力作用偶然作用很大，腐蚀严重等状态都会造成结构的可靠性降低，吊车运行时严重超载、卡轨等问题不仅严重影响吊车梁系统的可靠性，而且吊车刹车时还会引起横向或纵向较大的水平力作用和振动，在评定结构的可靠性时要参考作用的指标综合确定。表4．1结构的作用指标评定指标指标值根据控制荷载组合划分为恒荷载、风荷载、吊车荷载、地震作主要荷载类别用四类。恒荷载按超载百分比(以竖向荷载的基本组台为基数)综合划分为A竖向荷载活荷载(未超)、B(略超)、C(超载)三类。灰荷载竖向荷载根据吊车吨位、工作级别和运行状况综合划分为A(正常)、B吊车荷载横向水平荷载(不正常)、C(严重不正常)三类。纵向水平荷载根据设备参数划分为A(无或较小)、B(较大)、C(很大)三设备振动动力作用类。冲击荷载根据冲击功划分为A(无或较小)、B(较大)、C(很大)三类。根据发生频率划分为A(无或很少)、B(稍频繁)、C(频繁)爆炸三类。偶然作用根据发生频率划分为A(无或很少)、B(稍频繁)、C(频繁)碰撞三类。气态介质腐蚀腐蚀性水腐蚀根据介质类别、含量和相对湿度等划分为A(无或弱)、B(中)、腐蚀作用酸碱盐溶液腐蚀C(强)三类。固态介质腐蚀腐蚀土腐蚀第33页 西安建筑科技大学硕士学位论文；；；；；；日=；i==；；；；；=；；；===；；j=；；z；=；；；；；；==一：表4．2～4．5分别列举了地基基础、柱系统、屋盖系统、吊车梁系统的状态评估指标，认为按照地基基础的状态评定时，主要根据地基的总变形量、变形速度、变形发展趋势、相对沉降、相对水平移动、相对转动、基础损伤以及地基变形对吊车运行的影响程度等指标来评定，地基的总变形量、变形速度以及对吊车的影响程度按照《工业厂房可靠性鉴定标准》规定的地基项目的评级标准确定，相对沉降、相对平移和转动以及基础损伤均可按照力学计算获得的状态影响系数确定。柱系统的状态指标主要包括柱、连接和节点的缺陷和损伤、柱的变形和振动以及柱的表面温度，其中柱系统的缺陷和损伤状态指标包括以下内容：排架柱、抗风柱、柱间支撑、抗风桁架制作安装时的尺寸偏差、原始缺陷、位置偏差、烧伤和割伤以及使用过程中锈蚀、防护设施失效、局部损伤和脆性破坏的程度；焊缝连接时状态指标按照焊脚尺寸、焊缝外观质量和内部缺陷、连接板损伤以及焊缝和母材裂缝等情况确定其指标值；高强螺栓连接时按照螺栓间距和边矩、螺栓松动或脱落情况、连接板损伤、锈蚀以及连接面滑移和分离的程度确定。同时根据构件表面温度、构件变形对结构承载力的影响确定表面温度指标值和构件变形指标值。屋盖系统的状态评定指标包括托架、屋架、天窗、屋盖支撑、连接和节点的缺陷和损伤以及托架、屋架和屋盖系统的变形、振动和构件表面温度。吊车梁系统的状态评定指标包括吊车梁、制动结构、辅助桁架、吊车梁支撑、连接、节点的缺陷和损伤和吊车梁、制动结构、吊车梁支撑的变形和振动以及轨距和轨顶高差和吊车梁、水平支撑的构件表面温度。由以上对柱系统、吊车梁系统、屋盖系统的状态指标分析可知，截面缺陷和损伤、构件变形和构件表面温度三种状态参数对各系统的状态评定影响较大，再一次表明截面Ij,NJ、构件表面温度和构件变形作为状态评定指标的可能性。另外地基变形和位移对地基基础的评定以及不均匀沉降、水平移动和转动对上部结构构件承载力的影响也决定了地基变形和位移也是结构的状态评定指标。表4．2地基基础的状态指标评定对象评定指标指标值根据分析结果划分为A(小)、B(中)、C(大)总变形量三类。根据分析结果划分为A(小)、B(中)、C(大)变形速度三类。根据近期发展趋势划分为A(收敛)、B(未收变形发展趋势敛)、C(加速发展)三类。变形和位移基础相对沉降地基基础根据分析结果综合划分为A(小)、B(中)、C基础相对平移(大)三类。基础转动轨距根据对吊车运行的影响程度戋0分为A(不影响)、轨顶标高B(影响不大)、C(明显影响)三类。基础损伤根据损伤程度划分为A(无或轻)、B(中)、C基础损伤基础梁损伤(重)三类。第34页 表4．3柱系统的性能、状态指标评定对象评定指标指标值排架柱抗风柱根据柱系统的传力路径、质量和刚度分布划分构件布置柱支撑为A(规则)、B(较规则)、C(复杂)三类。抗风桁架零件材料性能焊缝根据选材的合理性划分为A(较合理)、B(不太合理)、C(不合理)三类。螺栓根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、c(严重)三类：尺寸偏差排架柱位置偏差抗风柱质量缺陷(制作、加工缺陷)柱支撑塑性损伤(局部撞伤、表面划痕等)脆性破坏(开裂、断裂等)抗风桁架局部屈曲(侧向屈曲、失稳等)锈蚀烧伤和割伤防护设施失效缺根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、柱陷C(严重)三类：系焊缝连接焊脚尺寸外观质量和内部缺陷(含锈蚀)和焊缝和母材裂缝统连接板损伤(同零件)损根据咀下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、伤C(严重)三类：螺栓间距和边距高强度螺栓连接螺栓松动或脱落连接板损伤(同零件)接触面滑移或分离锈蚀柱脚肩粱根据节点的构造、缺陷和损伤划分为A(无或。泰点．拼接节点轻)、B(中度)、C(严重)三类。与柱连接柱变形和振动柱支撑根据对厂房使用的影响划分为A(不影响)、B(略有影响)、C(影响较大)三类。抗风桁架柱根据表面温度和隔热设施划分为A(低)、B表面温度柱支撑(略高)、C(高)三类。第35页 西安建筑科技大学硕士学位论文=；；j目l==；；；；=‘=；；；；；==i；；==；=％；；；；==；；==一z表4．4屋盖系统的性能、状态指标评定对象评定指标指标值托架，托梁屋架，屋面粱根据屋盖刚度、传力路径、屋架侧向支承条件构件布置天窗等划分为A(好)、13(较好)、C(差)三类。屋盖支撑零件材料性能焊缝根据选材的合理性划分为A(合理)、B(较合理)、C(不合理)三类。螺栓根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、C(严重)三类：尺寸偏差托架／托粱位置偏差屋捌屋面梁质量缺陷(制作、加工缺陷)天窗塑性损伤(局部撞伤、表面划痕等)脆性破坏(开裂、断裂等)屋盖支撑局部屈曲(侧向屈曲、失稳等)锈蚀烧伤和割伤防护设施失效屋缺根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、盖陷c(严重)三类：焊缝连接焊脚尺寸外观质量和内部缺陷(含锈蚀)系和焊缝和母材裂缝连接板损伤(同零件)统损伤根据以F因素划分为A(无或轻)、B(中度)、C(严重)三类：螺栓间距和边距高强度螺栓连接螺栓松动或脱落连接板损伤(同零件)接触面滑移或分离锈蚀与柱连接节与托架连接根据节点的构造、缺陷和损伤划分为A(无或点与屋架连接轻)、B(中度)、C(严重)三类。拼接节点托架／托粱变形和振动屋架／屋面粱根据对厂房使用的影响划分为A(不影响)、屋蔫系统B(略有影响)、C(影响明显)三类。托架，托梁根据表砸温度和隔热设施划分为A(低)、B表面温度屋射屋面梁(略高)、C(高)三类。第，6页 西安建筑科技大学硕士学位论文表4．5吊车梁系统的性能、状态指标评定对象评定指标指标值吊车粱根据整体刚度、传力方式划分为A(好)、B构件布置制动结构(较好)、C(差)三类。吊车梁支撑零件材料性能焊缝根据选材的合理性划分为A(合理)、B(较合理)、C(不合理)三类。螺栓根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、c(严重)三类：尺寸偏差吊车粱位置偏差隹蚴结构质量缺陷(制作、加工缺陷)吊车梁支撑塑性损伤(局部撞伤、表面划痕等)脆性破坏(开裂、断裂等)辅助桁架局部屈曲(侧向屈曲、失稳等)锈蚀烧伤和割伤防护设施失效缺根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、吊陷c(严重)三类：奎焊缝连接焊脚尺寸和外观质量和内部缺陷(含锈蚀)粱焊缝和母材裂缝系损连接板损伤(同零件)统根据以下因素划分为A(无或轻)、B(中度)、伤C(严重)三类：螺栓间距和边距高强度螺栓连接螺栓松动或脱落连接板损伤(同零件)接触面滑移或分离锈蚀轨道连接根据连接构造和损伤程度划分为A(无或轻)、B(中度)、C(严重)三类。节点謦根据节点的构造、缺陷和损伤划分为A(无或轻)、B(中度)、C(严重)三类。吊车梁根据对厂房使用、吊车运行的影响划分为A变形和振动制动结构(不影响)、B(略有影响)、C(影响明显)吊车梁支撑三类。轨距和轨顶轨道根据对吊车运行的影响划分为A(不影响)、高差B(略有影响)、C(影响明显)三类。吊车粱根据表面温度和隔热设施划分为A(低)、B表面温度水平支撑(略高)、C(高)三类。第37页 西安建筑科技大学硕士学位论文4．2钢结构厂房的状态评定4．2．1对构件截面削弱的评定以矩形截面为例分析截面削弱对构件承载力和稳定性的影响，截面削弱面积用截面高度减小等效表示(如图4．1所示)。假定截面在截面高度方向减小了磁，则截面的面积变为原来的(1一口)倍，对横坐标的截面惯性矩变为原来的(1一口)3倍，对纵坐标的截面惯性矩变为原来的《1一口)倍，截面模量w变为原来的(1一口)2，对X轴的截面回转半径变为原来的(1一口)，其中口为截面削减系数。根据表3．7分析。部分构件截面削弱对杆件受力原始截面锈蚀后截面图4．1截面损失示意图情况的影响程度较小，所以忽略截面变化对结构承载力的影响，针对不同受力构件分别分析截面削弱引起承载力的变化，结果如下：当结构构件轴向受拉时，构件的极限状态主要由强度控制⋯，在承受相同轴向拉力的条件下，截面面积与截面应力成反比例，截面面积的减小直接导致截面正应力的增加。即当截面高度变为原来的(1一口)倍时，截面的正应力将变为1／(1一口)倍，参照《工业厂房可靠性鉴定标准》给出的钢结构或构件承载能力评级标准，分别计算出对应的截面削弱系数a值。当五／yoS=0．95时，口=0．05当R／r。S=0．90时，口=o．10根据以上计算结果，当截面面积削弱5％，截面的正应力变为原来[拘I／0．95倍，按承载力评级时，构件由b级向C级变化，当截面削弱10％时，截面正应力变为原来的I／O．9倍，按承载力评级标准有c级向d级过渡。为了保证受拉构件不产生过度的变形，要求轴心拉杆不应过分柔弱而应有一定的刚度。长细比是杆件的计算长度与截面相应回转半径的比值，即五=k／i。如图4．1所示的截面高度削弱砌时，杆件对水平中心轴的回转半径为原截面回转半径的(1一a)倍，对竖向中心轴的回转半径保持不变，截面削弱后构件的长细比与构件原长细比的关系满足式4．1：∥肛=1／(1一口)(4．1)当构件为轴心受压构件时，其极限状态主要由稳定控制。按照《钢结构设计规范》(GB50017—2003)⋯1规定，轴心受压构件的稳定系数与构件的长细比和截面形状有关，不同的长细比具有不同的计算方法，为简化起见，认为构件截面均属于b类且构件的计算长度保持不j一一变。令z。=2、／厶肛，‘取值为235N／m掰2，E取为206000，那么当厶≤0．215即z≤20比细匠时衲现件构O定～麟l一《当j巧顷；瓦鄹赢一搿蹶瓜卜《=+妒以，、三■●一砖时妒 西安建筑科技大学硕士学位论文和构件的截面损失率口，根据换算关系就可以计算出截面损失前后构件的稳定系数伊。由公式Ⅳ／倒≤厂可知，当构件的轴向力不变、构件的稳定系数和截面面积改变时，Ⅳ／伊“的值将会发生变化，令∥=倒肋7A7，其中A7、妒7为参数改变后的截面面积和构件的稳定系数。计算结果见图4．2，横坐标为假定的构件截面削弱系数，纵坐标为∥值。对图4．2中的6条曲线用直线拟合得到公式4．2；∥=(0．00692+1．0547)a+(O．9965+0．00022)(4，2)⋯，◆形。j00．020．040．060．080．10．12_．一X=15一一X=171^=20一^=22十^=25一^=30图4．2截面削弱对受压构件极限状杰的影响根据式4．2，当己知构件的计算长度和截面的损失率，就可以算出多值，或者已知构件的长细比以及口控制值，就可以获得该杆件截面损失的界限，作为评定其等级的依据。压弯构件整体破坏的形式包括三种：一是因为杆端弯矩很大发生强度破坏，或者杆截面局部严重削弱而强度破坏；另外两种为弯矩作用平面内弯曲失稳破坏和弯扭失稳破坏。对于在一个对称轴的平面内作用有弯矩的压弯构件，如果非弯矩作用方向有足够的支撑以阻止构件发生侧向位移和扭转，就只会在弯矩作用平面内的弯曲失稳破坏，构件发生弯曲变形；如果压弯构件缺乏足够的侧向支撑，就可能在发生弯曲变形的同时截面绕杆轴扭转，从而构件发生弯扭失稳破坏。对于承受轴向压力和弯矩的压弯构件，最不利受力截面出现塑性铰时构件就达到强度极限状态。当构件上只有轴线压力而没有弯矩，构件类似于轴心受压构件，截面所能承受的压力为全截面达到屈服的压力；当构件仅承受弯矩而没有轴力作用时，构件类似于受弯构件，截面所能承受的最大弯矩为全截面的塑|生铰弯矩。为了计算简便并保证安全受力，引入截面塑性发展系数，并用直线式相关曲线来表示构件的承载能力计算时轴线压力和弯矩的关系，当不考虑垂直截面的弯矩作用时，结合《钢结构设计规范》给出的压弯构件强度计算公式，可得到公式(4|3)：第39页H¨挖uo呻吨们∞∞眦∞舵叭● 西安建筑科技大学硕士学位论文旦±粤≤，(4．3)A．以吸。⋯～当构件截面高度减小口时，削减后截面面积变为原来的(1一口)倍，截面截面模量变为原来的(1一口)2，规定当N／A。与"，／，，阿么相差不大时，式4．3中取加号，且截面变化对构件受力影响忽略不计。假设截面自u弱后与截面削弱前(柳一十埘：／r；纾0)／，的比值为卢，很显然1／(1一口)≤∥≤1／(1一口)2，N／A。与M，／r，阡么相比大很多时，∥值与1／(1一口)接近，反之，p值与1／(1一甜)2接近。当N／A。与M，抄，阡0的比值确定时，承载力的变化值卢与口一一对应。对于抵抗弯扭变形能力很强的压弯构件，或者在构件的侧向有足够多的支撑以阻止其发生弯扭变形的压弯构件，在轴线压内N和弯矩M的共同作用下，构件在弯矩作用平面内发生整体的弯曲失稳，其受力变形特点具有极值点失稳的物理现象。构件失稳时首先在受压最大的一侧发展塑性，有时在另一侧的受拉区也会发展塑性，构件截面形状、尺寸、构件的长度、初始缺陷以及残余应力的存在都会造成构件截面提前屈服，从而其稳定承载力降低。对于两端作用有相同弯矩的等截面压弯构件，在轴线压力N和弯矩M共同作用下，如果假定构件的变形曲线与半波正弦曲线相一致，则最大弯矩为构件端部作用弯矩的l／(1一Ⅳ／N。)倍，对于其它荷载作用方式，也可以计算出相应的放大系数。对子弹性压弯构件，如果以截面边缘纤维的应力开始屈服作为面内稳定承载能力的计算准则，那么根据《钢结构设计规范》规定的弯矩作用平面椭稳定性从式击+两意≤鲁可回玎，式中舶弯矩作用平面内的辅峻压构件稳定系数；％，为弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量；风为弯矩等效系数，与荷载的作用方式有关，端弯矩和横向荷载确定时岛。为常量；Ⅳ台为参数，与杆件的长细比有关。截面面积变化时，妒。、Ⅳ0、彬。、爿均发生变化，其中后两项与截面变化成正比，前两项与截面变化具有固定的函数关系，对于特定的杆件，轴向荷载、弯矩为定值，截面面积变化引起的∥值改变是确定的。弯矩作用平面外的稳定性按公式』与+叩』!噪车≤厂验算，妒，式中弯曲妒，月钆∥10作用平面外的轴心受压构件稳定系数；仇为均匀弯曲的受弯构件整体稳定系数：r／为截面影响系数，是一个定值；肛。为等效弯矩作用系数，仅与荷载大小、作用方式有关的定值。给定截面面积的变化值也可以确定口值。4．22对构件表面温度的评定表4．6详细列出了钢材在AuTDGRAPHDcs一25万能材料试验机上试验时[351136]随温度变化的外观和破坏现象。各试件的屈服强度、极限强度、弹性模量都表现出与常温下截然不同的性能(图4|3、图4．4、图4．5)。屈服强度和弹性模量基本上表现出随温度的升高而降低，当温度升至600"C时，试件的屈服强度只有常温下的20．8％，材料的弹性模量仅为常温下的17．41％。极限强度先随温度的升高而升高，在200。C时极限强度最大，达到574．7MPa；当温度为250"C第40页 西安建筑科技大学硕士学位论文时，出现明显的“蓝脆”现象，极限强度较常温时提高187％，但比250"C时的极限强度低3％；温度达到200。C后，极限强度随温度的升高而开始降低，600。C时，极限强度降至常温下的23．4％。表4．6温度变化时钢材试件的破坏特征温度试件加热时破坏特征冷却后试件外观特征常温下基本相似接近破坏时，有明显的“颈表面颜色较常温下略深，断口颜色更深一些，200℃缩”现象有金属光泽表面浅蓝色，具有明显的“兰脆”现象，接250℃表面呈深蓝色，断口为紫色，有金属光泽近断裂时试件有明显的“颈缩”现象350℃表面颜色变为深红色亦有明显的“颈缩”现表面略呈黑色，断13呈灰黑色，有金属光泽．象400℃表面为灰黑色，断口呈黑色，有金属光泽，表面呈红黑色，颈缩”现象也较为明显450℃“500℃表亟为浅黑色，断口为黑色，但“颈缩”现表面为浅黑色，断口为黑色，断口金属已失550℃象仍较为明显去金属光泽600℃6004002000极限强度雪i薹委{!{I曩O瑚400600800O4．3屈服强度随温度变化曲线温度0200400600800温度O期400600800图4．4极限强度随温度变化曲线温度表4．5弹性模量随温度变化曲线图4．6涡序麻力示煮图因此在结构构件设计或验算时，要考虑结构表面辐射温度不超过200。C，否则，构件表面第4l页毫一萝， 西安建筑科技大学硕士学位论文需加设隔热保护层。在负温变化范围内，抗拉强度、屈服强度都提高，但塑性变形能力减小，材料塑性降低。构件表面温度变化不仅影响钢结构材料的力学特性外，而且表面温度变化还会在超静定结构的构件中引起附加内力。如图4．6所示，有一个两端刚接的杆件，长度为，，杆件截面为矩形(b×h)，杆件的EI为常数，温度膨胀系数取8=0．000012，杆件内外温差为t，轴线平均温度为“。基本体系取图中的简支梁，用力法列方程如下：万ll■l+盈2xz+A“=0占2lxl+疋2x2+A2r=0d”Z3+A卦=0其中瓯．=疋：=t／3E1磊2=621=t／6Et如3=1／EA△¨_△2。=口云胁=篆A3，=Ctto，求解得：zl：Ⅳ2：—-_caEIx3：一aEAt。构件表面的温度发生变化时，构件中任一点处的附加弯矩为(_+112)1一掰-日-，附加轴力为一NaEAt。。其中M．、M2和N分别为单位荷载x，、X，、五单独作用时的构件弯矩或轴力值。4．2．3对构件变形的评定工业厂房中钢结构构件主要为受压和受拉构件㈣㈨，受拉构件发生变形时，变形对其承载力影响较小，只使其变形加大；对于受压构件，变形使构件既承受轴向荷载又承受附加弯矩附加弯矩的增加必然使构件承受压力的能力受到损害，处在倾斜位置的构件在荷载的作用下继续倾斜，这种P一△效应使构件承载力降低直至破坏。假定一截面形状为矩形(b×h)的轴心受压构件承受轴向荷载P的作用，构件截面中点发生一水平变形△时，变形截面承受大小为P△的附加弯矩，构件中点截面的截面模量为肋2／6，则变形前后截面边缘纤维的压应力分别为：盯=P／∽)a：=P}bh+P＆|W=P／bhxq+6A／b、变形后截面边缘纤维的应力与变形前相比为：第42页 西安建筑科技大学硕士学位论文仃7／o=l+6A／b根据上式很易得出，当构件截面存在变形时，变形后截面的边缘纤维应力较变形前增加了6A／b倍。无论构件截面发生何种变形，都可以计算出变形位移与截面宽度的比值，从而计算出变形前后受压边缘纤维的应力。如果构件中存在多处变形，取相对与轴心较大的变形计算。按照《工业厂房可靠性鉴定标准》的评级标准，按照变形情况判定构件的等级如下：(1)、对于轴心受拉构件，不考虑构件变形对其可靠性的影响；(2)、对于轴心受压构件，构件截面不发生变形时，评定为a级，构件变形小于截面宽度的8．3％o时，评定为b级，构件变形大于截面宽度的8．3‰时，评定为c级。4．3现有钢结构厂房的状态评定方法4．3．1状态评定方法钢材作为一种建筑材料有很多优点，但用作钢结构工业厂房构件的钢材在服役期间往往遭到影响其材料和力学特性的各种因素作用，其抗力水平一直在减弱。为了结构安全和耐久性考虑，规定不同使用环境中各类构件的维修周期(表4．7)。表4．7钢结构构件的大修周期(单位：年)使用条件钢构件正常有腐蚀介质作用有重级工作制吊车屋架和托架25～3015～2020～25柱50～6040～4540～50吊车梁25～3020～2510～15墙架25～3015～2020～25屋盖构件10～155～810～12结构状态改变对结构承载力的影响已在前面进行了分析，在评定上部结构构件的可靠性时，必须考虑地基变形和位移、构件表面温度、截面削弱和变形四个指标对其影响，所以根据各状态因素引起的应力附加系数可以评定结构构件的可靠性等级，当各因素评定等级存在差别时，取较低的等级作为构件的评定等级。在结构构件评定等级的基础上，根据现有的《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44．90)规定的评级方法评定功能系统的可靠性等级。针对地基基础、吊车梁系统、屋盖系统、柱系统等功能系统的状态可靠性评定标准，分别叙述如下：1、地基基础可靠性评定影响地基基础状态的指标为地基的变形和位移以及基础损伤，地基基础的变形和位移可以用总变形量、变形速度、变形发展趋势、基础相对沉降、相对水平位移、基础转动以及吊车轨第43页 西安建筑科技大学硕士学位论文距、规定标高的变化等参数的变化来衡量。基础损伤评定时根据损伤程度分为三个级别，无损伤、中等损伤和损伤严重。根据现有的《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44—90)地基基础评定时采用如下的标准：A级：厂房结构无沉降变形或裂缝已终止发展，不均匀沉降小于国家现行《建筑地基基础设计规范》规定的容许沉降差，吊车运行正常：B级：厂房结构沉降缝在短期内有终止发展趋势，连续两个月地基沉降速度小于2ram／月，不均匀沉降小于规范规定的容许沉降差，吊车运行比较正常；C级：厂房结构沉降裂缝继续发展，短期内无明显终止趋向，连续两个月地基沉降速度大于2mm／月，不均匀沉降大于规范规定的容许沉降差，吊车运行不正常，但轨顶标高或轨距尚有调整距离：D级：厂房结构沉降裂缝发展显著，连续两个月地基沉降速度大于2mm／)i，不均匀沉降大于规范规定的容许沉降差，吊车运行不正常，轨顶标高或轨距没有调整距离。一般来说根据观测到各个柱基的沉降数值，就可以计算出变形速度、总的变形量以及相对沉降值，按照计算的状态影响系数评定等级，无沉降变形、不均匀沉降满足规范要求，吊车运行正常时评为A级；沉降短期内有终止趋势，连续两个月沉降量小于2-IⅡIl，月，不均匀沉降量小于规范规定的容许值，吊车运行比较正常，评定为B级，不满足以上要求时评定为C级。地基基础评级时未涉及地基发生相对水平位移和转动因素的影响。2、柱系统评级按照柱系统中构件的缺陷、损伤、变形、构件表面温度和结构构件布置以及构件材料性能的选择来评定柱系统的等级，评定时认为影响结构性能的构件布置、材料性能满足现行相关规范的规定和要求，现场结构构件与设计图纸相符，评定等级为A：否则，按照现场实际的结构形式和构件截面情况建立模型，分析结构构件布置和材料性能的评定等级。缺陷、变形、温度对柱系统的影响按下列分析评定：当排架柱、抗风柱、柱间支撑等构件截面存在锈蚀、损伤时，根据截面损失程度对构件承载力稳定性的影响，判定其等级：现假定一落锤车间柱系统各构件及连接无明显的缺陷和损伤。节点板连接可靠，没有发生平面外变形，评定为A级；根据柱、柱间支撑各杆件的变形来评定柱系统的等级时均可近似按照4．4节轴心受压构件的评级标准评定；但一旦柱子存在相对水平位移或相对转动时，一般将柱系统评定为B级，转动量较大时评定为c级：具体的控制数值针对不同的结构计算的状态影响系数确定。柱的隔热效果较好，表面温度较低时，评定为A级；3、屋盖系统评级评定屋盖系统可靠性等级时，一般根据构件的缺陷损伤、变形、表面温度等状态指标进行，具体评定时根据物该系统构件布置、截面特性确定各状态因素对上弦、下弦和腹杆的影响系数第44页 西安建筑科技大学硕士学位论文按照轴向拉压构件分析确定，评定实际工程时按照相应规范进行。屋盖系统中部分下弦杆件、屋架系杆往往会受到碰撞、锈蚀等因素的影响导致承载力和稳定性降低，整个系统的连接牢固，无明显的平面外构件变形，评级时评定为B级；屋架各杆件的保温隔热效果较好，构件表面温度没有明显的增加，判断为A级；4、吊车梁系统评级由于假定吊车粱系统各杆件铰接，评定其等级时按以下要求进行：对吊车梁系统中存在缺陷和损伤的各构件，分别按照轴心压杆、拉杆的截面削弱与承载力、稳定性的关系计算，杆件碰撞后发生变形而没有更换杆件时，根据变形量与截面相应方向截面宽度的比值判定构件的等级；吊车梁中构件来连接牢固，节点无明显缺陷和变形是评定为A级；吊车运行对无明显卡轨、爬坡现象时吊车梁的轨矩和轨顶高差评定为A级，吊车轨道存在少许沉降和水平变形或扭转，吊车运行时存在卡轨现象且轨道接头处不能平稳通过时评级为B级，吊车卡轨力较大、轨道接头标高相差很大时，评定其为c级；假定吊车梁为静定结构，温度作用不会在构件内产生附加应力，但随着温度的提高，构件的屈服强度、弹性模量都降低，以至于构件变形加大，评定等级时可按照温度的高低评定。5、其它楼梯、走道、屋面板、墙面等附属构件和围护构件，按照锈蚀、裂缝以及构件连接处焊缝、螺栓的变形情况，判定其可靠性等级，作为整个厂房评定等级时的参考。4．3．2结构的综合评定钢结构厂房的综合评定以地基基础、柱系统、吊车梁系统、屋盖系统、围护系统的评定等级为基础，结合厂房的实际历史、环境情况，全面分析，综合判断结构整体的可靠性等级。在全面分析、综合判断时，还应考虑如下因素：各系统的可靠性等级和其在结构中的地位；结构整体周围环境的影响和功能系统损坏的人为因素和损坏程度；功能系统损坏的可修复性和损坏造成的经济损失。因此针对钢结构工业厂房。地基基础作为整个结构的最终荷载承担着，对整体结构可靠性的影响很大，在上部结构中框架柱承受吊车梁系统、屋盖系统的作用荷载，柱系统失效直接引起吊车梁系统、屋盖系统发生破坏，为了保证厂房内生产的正常进行，吊车梁系统的重要程度较屋盖系统高，围护系统等级对整个结构的承载力等级评定影响不大，仅对整体的耐久性有影响，评定整体结构的等级时，仅作参考。4．4小结本章通过对结构可靠性的状态评定指标和状态评定方法系统的阐述，给出r状态评定时作用指标、地基基础的状态指标、吊车梁的状态指标、柱系统的状态指标和屋盖系统的状态指标，第45页 西安建筑科技大学硕士学位论文并对截面削弱、构件表面温度增加、变形等情况下结构的状态进行了分析，根据状态评定层次和状态评定指标给出了状态评定体系。本章主要得出以下结论：(1)、分析了影响结构功能系统的状态指标截面削弱、变形、构件表面温度、地基变形和位移在各功能系统评定时的具体表现形式，再次验证了其作为状态指标的可能性：(2)、构件截面削弱不仅引起截面平均应力值增加，而且还会对构件的长细比造成影响。截面削弱对受力不同的杆件影响也不相同；(3)、构件表面温度升高，一方面会引起材料特性发生变化，另一方面温度变化在超静定结构中引起的附加应力会改变结构的受力状态，过大的附加应力会造成结构构件提前屈服或者反向屈服；(4)、构件变形使结构构件截面在原有荷载基础上添加了附加弯矩作用，附加弯矩与原有内力的共同作用造成构件受压边缘纤维屈服进入塑性阶段。进一步的变形会加大附加弯矩，从而在荷载保持不变的情况下荷载的作用会引起更大的变形，直至构件截面完全屈服，构件破坏。第46页 西安建筑科技大学硕士学位论文5工程应用实例5．1单层钢结构厂房的分析5．1．1厂房整体调查与民用建筑相比，工业厂房的使用条件和环境更为复杂，但结构形式相对比较单一。工业厂房使用时承受恒荷载、活荷载、风载、地震荷载、吊车荷载以及高温、高湿、设备振动和腐蚀性介质作用。由于存在以下原因，这些在役钢结构工业厂房的可靠性随时间呈现出加速衰减的趋势：(1)厂房临近大海，空气潮湿，结构材料易锈蚀；(2)厂房建于软土地区，柱基发生沉降变形现象较普遍，威胁上部结构的安全；(3)部分厂房突破原先限定条件，超负荷使用，导致荷载增加或构件(如吊车梁)使用寿命缩短：(4)历次爆炸、火灾等事故给结构造成损伤，甚至留下安全隐患；(5)部分厂房存在使用不当和维护不周现象，人为加速了结构状况的恶化。结构可靠性的降低不仅影响厂房的正常使用，也威胁到厂房的安全，近年来已数次发现重大结构隐患，甚至出现了部分厂房倒塌事故。论文具体以一落锤为例进行阐述，具体调查结果如下：一落锤厂房为单层单跨不等高的全钢结构框架厂房，平面呈矩形。横向钢框架有9榀，均由变截面框架柱和屋架组成，设A、B两道纵向轴线，其拄网布置图见图4．1，不同柱高的两种框架分别图4．2、图4．3。另外，该厂房有一13吨铁锤落距为15m，框架上设置3台30／70／20吨桥式吊车。①～②轴线、⑧～⑨轴线的屋架处有检修吊车。7霉l吕×B’圮．nI。20∞O20∞00田00【Ⅲ图4．1一炼钢落锤车间#网布詈图2",31,0图4．2③轴框架平面图图4．3⑦轴框架平面图第47页 西安建筑科技大学硕士学位论文一落锤的框架柱为单阶柱，由上下两部分组成：上柱为钢板焊接的实腹式工字形柱，下柱为斜腹杆双肢柱，柱肢采用H型钢，上下柱之间用肩梁连接。柱子承受由屋架及托架、吊车梁、外墙和支撑等传来的荷载，并将它们传给基础。柱间支撑包括在吊车梁以上至屋架下弦间设置的上段柱柱间支撑和在吊车梁以下至柱脚处设置的下段柱柱间支撑和下段柱系杆，屋盖结构由檩条、屋架、托架、屋盖支撑、天窗等组成。檩条为实拔式檩条，工字形钢截面，屋架是梯形屋架，为桁架结构，中间屋架的中部开有天窗。厂房屋盖为有檩体系，屋面铺设压型钢板，四周围护为压型钢板和网孔板。屋架有支承在柱上，也有支承在托架上的，承受屋盖结构的全部荷载。托架为平行弦桁架结构，天窗架支承在屋架上。承受天窗部分屋面荷载及窗重，并把它们传给屋架。吊车梁为等截面焊接工字形梁，其制动系统由制动桁架、水平支撑、辅助桁架和垂直支撑组成。5．1．2沉降数据分析由于一落锤厂房①～⑤轴线、⑥～⑨轴线之间厂房的基础标高不同、使用功能不同，沉降数据分析时按单元1、单元2两部分进行，单元1包括①～⑤轴线间A、B列柱，单元2包括⑥～⑨轴线间A、B列柱。由于沉降观测时部分观测点未测以及测试时水准点变动、移位、新设或者测试尺未放垂直等现象的存在，测得的沉降数据有所波动。为了沉降数据的连贯性，认为相邻量测区段内沉降是均匀的，没有量测的观测点沉降数据可根据相邻量测区间的沉降值采用内插法确定区间内各观测点的沉降值。厂房的柱基沉降曲线详见图5．1。柱基的沉降速度曲线见图5．2。A、B列柱基的相对沉降曲线见图5．3。从图5．1沉降曲线可以看出：沉降观测开始时三个月观测一次，结构建成3年后改为4个月观测一次，结构建成10年后改为半年观测一次，总体上随时间增长柱基的沉降量增大。沉降曲线近似为折线关系，在沉降初期，沉降速度较大，沉降曲线的切线斜率较大，沉降120月左右时，沉降变缓，测量区间内的沉降量变小。沉降曲线中各沉降曲线很少相交且曲线中存在上升的区段，现象表明各柱基之间沉降趋势一致，相互之间没有过大的相对沉降，曲线中存在上升段表明柱基在作用荷载降低或地下水位升高时，柱基会有短暂的上升过程。单元1的沉降量无论A列还是B列均比单元2对应的沉降量小。地基沉降速度为本次地基下沉量与沉降观测间隔时间的比值，单位为m卅／月。地基沉降变形是个漫长的过程，在沉降过程中始终伴随着结构荷载变化和地基反力变化，结构通过基础对地基的作用力减小时，地基变形将减慢，甚至出现反弹。图5．2为计算所得的地基沉降速度曲线，分别取单元1、单元2中A、B列三个柱的沉降进行分析，结果表明：地基发生沉降变形时并不是一成不变，而是在一定时期不发生沉降，反而上升，例如从1989～2001年中8～12月份的大部分本次下沉值为正值，其它时间的本次下沉值为负值。具体的讲，A列l柱、3柱、4柱的沉降速度随时间而减小，在沉降观测第100月附近时沉降速度达到绝对值最低值。B列1柱、3柱、4柱的沉降速度20～40月之间时达到最大值，此后沉降逐渐减小，至沉降观第48页 西安建筑科技大学硕士学位论文测100月时达到稳定。A列6柱、8柱的沉降速度曲线在沉降观测101月时沉降变形很大，第105月观测得到的本次沉降值也很大，此后沉降变形趋于缓和，沉降速度减小。B列6柱、7柱、9柱的沉降速度在沉降观测60～80月内稳定了一段时间，保持在一个相对较低的速度，小于2肌州月，然而沉降观测第97个月时地基上升后，在沉降观测第101月时地基发生了较大的沉降，最大沉降速度达到3．2mm／月，此后地基沉降速度变小。图5．3列出了A、B列对应柱基相对沉降变形值，用A列柱基累计沉降量与B列柱基对应柱子沉降量的差来表示。从图中可以看出，在沉降观测第80月前，对应相对沉降量最大值不超过25mm，相对沉降量较低，80月后，6柱、9柱与1柱对应的相对沉降量变化很大，最大差值为66．5mm，3柱、4柱的相对沉降比较小，基本上保持为同步沉降。随着时间的变化，每个柱基都有一个沉降值与观测时间对应，不同柱基的沉降值在同一个观测时间可反映为一个样本值，将每个柱基的沉降曲线放在一个坐标系下，就可以表示为—个随机过程。如图5．1中单元1中A列1柱、3柱、4柱的沉降曲线图，用任意一个观测时间去截取曲线，可以得到三个不同的值，计算三个数值的平均值u和均方差盯，根据计算的平均值和均方差，引进反映数据离散性的参数J=盯肛，来分别表示A、B列不同柱基间相对沉降的大小，同一观测日期，观测数值的离散性越大，说明所研究的柱基不均匀沉降越大。图5．4为不同单元的沉降离散性分析，图中共给出了四条曲线，分别表示A列1柱、3柱、4柱的沉降数据离散性、A列6柱、8柱、9柱的沉降数据离散性，B列l柱、3柱、4柱的沉降数据离散性以及B列6柱、7柱、9柱的沉降数值离散性。从图形中可以看出，在沉降观测开始阶段，所测得的沉降数据离散性很大，沉降观测60个月后，沉降数据除A列1、3、4柱的离散性较大外，其余各条曲线的离散系数都小于O．15，同一柱列的沉降趋于一致，柱列内的相对沉降减小。通过以上沉降数值分析，总体上单元2(⑥～⑨轴线)的沉降量大于单元1的沉降量，沉降观测中1989～2001年8～12月份的大部分柱基的本次下沉值为正值，其余为负值，发生此现象的原因可以归纳为以下几点：1、厂房单元1与单元2的使用功能不同，单元2主要用于将炼钢车间产生的钢渣或铁渣破碎，在破碎处理时，温度很高的钢渣倾倒到单元2的地面上时，过高的温度会造成地基土中水分的损失，引起地基干缩变形，落锤从高空落下破碎钢渣时，将对地面作用一动力荷载，引起地面的振动，从而加速地基的沉降变形，另外，单元2中吊车的频繁使用，也对地基沉降有一定的影响。单元1主要用于废钢、大块钢渣的切割，没有高温和动力荷载的影响，所以地基沉降较小。2、在1989～2001年8到12月份之间量测的柱基本次下沉绝大多数为正值，其余时间量测的本次沉降为负值，一般情况下每年的这段时间为多雨季节，海水水平面的升高会造成地下水位有所上升，从而改变地基场地土的含水量，进而土的体积发生膨胀，在这种情况下厂房的第49页 西安建筑科技大学硕士学位论文02040啪即I"30120140160I∞O204060B0l∞1201401右01eok滋t=一～——一一飞参盯～——三三蔫杂二二二一二二兰}÷巨型二：一j堕二亘!i]I单元A柱列沉降曲线E垂叵三圃二玉五三固2单元A柱列沉降曲线020406080100lZ01401601800204060801001ZO140L60180[=五百_二=T面一i：荫--avorl—西丐丽往勋沉目丽戛’图5．IA、B列柱基沉降曲线图020d06080】00】20沉睥速度[三ji五三茧至二三jj至二—网l单元A柱列沉降速度曲线1单元B柱列沉降速度曲线020406080100120沉№速度E三亘垂三三!三E二]三蔓三；ji固2单元^柱列沉降速度曲线020{06080IDO120沉降速度E三玉蔓三；j垂E二二亘亘三；珂2单元B柱列沉降速度曲线图5．2A、B列柱沉降速度曲线第50页 西安建筑科技大学硕士学位论文E五叵三生巫：—耍四1单元AB柱列相对沉降曲线离散性045r-。。。。··050100150相对沉降E夏至夏三：：ji阅2单元AB柱列相对沉降曲线图5．3A、B列柱基相对沉降j--A134．!!塑!!!!．：』!!到⋯⋯⋯020406080100120140160180沉降离散性分布图累计月数图5．4柱基平均沉降的离散性分析地基基础在地下水浮力的作用下抬升了，在宏观上表现为本次下沉量为正值。下次测量时地下水水平面降低，量测到的本次沉降值同其它观测时间段相比，沉降量明显变大，如A列柱6在90年8月份观测时上升5．4mm，同年11月份观测时还上升3．6ram，而1991年2月份观测时下沉了11．3mm，A列柱8的沉降90年8月份时上升4．7mm。1991年2月份本次下沉了12．9mm。以上两组数据可以验证地下水位的变化对地基沉降的影响。3、柱基的相对沉降讨论。沉降观测时由于A列7柱与B列8柱的沉降未测，考虑A、B列对应柱子相对沉降时不考虑7轴线、8轴线的相对沉降。沉降观测初期，所有对应的相对沉降量均较小，但在总体上1轴线、6轴线和9轴线相对沉降值与3轴线、4轴线的相对沉降值相比明显较大。1轴线柱相对沉降从第81月的沉降观测后，相对沉降值～直增加，在第111月观测时相对沉降达到最大值34．7mm，B列柱比A列柱沉降的值大。3、4轴线的相对沉降量变化较小，基本上同步沉降。6轴线相对沉降值随从沉降观测第43月以后随时间增长而增长，在第101月观测时相对沉降达到最大值．36．7mm，9轴线的相对沉降值在在第101月观测时达到最大值．29．5mm，此后相对沉降量逐渐减小，到沉降观测第167月时相对沉降为．1．7mm，9轴线的沉降值趋于稳定。6轴线9轴线A柱的沉降均较B柱的沉降值大，且与单元1相比单元第51页累“月技g]～453525l50吼㈣n呲玑¨n㈣ 西安建筑科技大学硕士学位论文2中A、B列柱的沉降量明显大与单元1柱的沉降量，整个厂房中每榀框架的结构形式相似，作用于结构的外部荷载相同，外部作用不可能造成结构的不均匀沉降。因此可以认为由于单元2位于落锤作业区，落锤碎渣时对地面的施加的动力作用是地基产生不均匀沉降的主要原因。4、除了以上主要原因外还有吊车超载、地面集中堆载较多等原因。柱基变形包括竖向变形、水平位移和转动，柱基发生均匀的竖向变形和同向的水平位移时，结构发生整体的刚体位移而不影响构件的内力变化，而当结构发生整体转动时，柱子将发生相同的转动，这样在竖向荷载作用下柱子截面增加了附加弯矩的作用下而易发生结构倒塌从而整体破坏，在现实工业建筑中这种情况必须严加注意，如果出现整体转动，必须采取措施纠偏。因此论文主要研究竖向相对沉降、水平相对位移和相对转动对结构内力的影响。沉降分析以宝钢一落锤厂房3轴线、7轴线的框架为研究对象，框架柱均为单阶柱，上柱截面为实腹式工字形，由钢板焊接而成，下柱为斜腹杆双肢柱，双肢采用H型钢。1、竖向相对沉降对结构承载力的影响分析竖向相对沉降时，由于下柱的截面面积和刚度与上柱的截面面积和刚度相比大的多，柱基沉降在构件内引起的附加弯矩和轴力相对于下柱承受的荷载小得多，对其整体受力图5．5单榀框架杆件布置示意影响有限，因此近似将下柱看作为上柱的固定支座，不考虑沉降变形对下柱内力的影响。计算时假定屋架下弦、腹杆仅能承受拉力或压力，不考虑其弯曲变形。如图5．5所示，右侧柱基发生竖向相对变形，相对沉降10ram时引起的杆件截面上的弯矩、轴力，计算结果见表5．1，对应杆件的截面特征系数见表5．2。其中表5．1中屋架下弦、腹杆的附加内力选用与竖向荷载作用屋架节点上时屋架下弦、腹杆中同号的内力，附加内力与荷载内力作用相反时内力相互抵消，内力方向相同时叠加会增加构件的应力，杆件安全性降低。表5．1柱基相对沉降引起杆件的附加内力柱子屋架上弦下弦腹杆弯矩M轴力N弯矩M轴力N轴力N(拉)轴力N(压)3轴0．2330．0330．0520．1470．0950．0220．0677轴0．4660．0650．1030．2940．1900．0450．132表5．2截面特征系数柱子屋架上弦下弦拉腹杆压腹杆面积A惯性矩I截面模量面积A惯性矩I截面模量面积面积A3轴277003．96*l098．81*106453518．2"1061．46*l0558863800．7轴302004．44*1099．87"106588633．8"1062．25"10558864548第52页 西安建筑科技大学硕士学位论文注：表中截面面积A单位m2，截面惯性矩I单位为nllll‘，弯矩M单位为kN．m，轴力N单位为kM柱基沉降在框架柱、屋架上弦中引起附加弯矩和轴力造成柱、屋架下弦处于压弯状态，使荷载作用截面出现不均匀应力分布，受压较大的截面与结构荷载引起的压应力叠加时，截面将^rl，部分达到屈服，构件截面进入塑性状态。采用构件承载力计算公式⋯二二+二生￡一≤f就可以Anyxw“’计算出柱基沉降引起的构件附加应力与钢材抗拉强度设计值的比值，从而根据计算的比值给出沉降变形对结构承载力影响系数，框架柱、屋架上弦杆都可以按照此法计算。计算时塑性发展系数y，取1，不考虑截面削弱，认为截面的净面积、净截面模量等于截面的面积和截面模量，钢材的抗拉强度设计值厂取215}dpa。柱基沉降时还在屋架腹杆引起附加压应力以及下弦杆中引起附加拉应力，对于受拉杆件其极限承载力是截面的平均应力达到钢材的抗拉强度．无，但是依此控制拉杆截面时还应防止杆件的突然断裂，另外当构件毛截面的平均应力超过钢材的平均强度厂v时，构件塑性变形的发展会使实际构件的变形过大而不符合继续承载的要求。对于有孔洞受拉构件⋯1，孔洞附近存在的应力集中会使整个构件处于弹性阶段时，孔洞周围的最大应力达到屈服强度，应力不再增加而发展塑性变形，此后随着截面应力重分布净截面的应力均匀达到屈服强度。但是如果应力继续增加，那么构件变形会发展过大，且孑L洞周围截面因塑性变形过分发展而首先被拉裂，构件的承载能力将降低，所以规范对轴心受拉构件强度计算时作出如下规定：构件净截面的平均应力不应超过钢材的屈服强度。轴心受压构件的受力性能与受拉构件不同，除了有些较短的构件因局部有孔洞削弱，净截面的平均应力有可能达到屈服强度而需要计算其强度外，一般来说轴心受压构件的承载能力是由稳定条件来控制的。对于附加压应力对受压构件的影响可用一个受压短柱说明，假定短柱的长细比较小，不会发生稳定破坏，那么结构状态变化引起的附加压应力会使构件受压未达到屈服荷载时构件截面提前进入屈服状态。地基产生不均匀沉降10mm时在框架柱、屋架上弦、下弦、腹杆中引起的附加应力与钢结构抗拉(抗压)强度设计值的比值计算结构见表5．3。表5．3地基刁i均匀沉降对构件承载力的影响柱子屋架上弦屋架下弦拉腹杆压腹杆3轴I29*1041．8l木101O．75"1040．26"1矿0．82"1007轴2，30．1012．36*10。015"1040．46"1矿1．35"10。2、水平相对位移对构件承载力的影响当弯矩作用在和构件腹杆相垂直的柱平面内时，柱子绕实轴产生弯曲失稳，其受力性能与实腹式压弯构件完全相同。当弯矩作用在与腹杆相平行的主平面时，柱子绕虚轴产生弯曲失稳，受压最大一侧肢件的腹板屈服时构件即丧失整体稳定。框架下柱截面面积较上柱截面面积大，第53页 西安建筑科技大学硕士学位论文表5．7上柱柱底转动对构件内力的影响柱子屋架上弦屋架下弦受拉腹杆受压腹杆弯矩M轴力N弯矩M轴力N3轴62．299．0570．0884l-82—67．27—5．24—9．857轴123．2817．750．31282．83—133．45—10．15-19．18注：1、上柱柱底转动角度分别为0．05度，左边柱子顺时针转动，右边柱子逆时针转动。2、表中轴向力为正值时表示受拉，负值时表示受压。受拉腹杆受到的转动附加应力为压应力计算时表5．8转动附加应力作用截面特征系数柱子屋架上弦下弦拉腹杆压腹杆面积A惯性矩截面模量面积A惯性矩截面模量面积面积A3轴277003．96．1098，81"106588633．8"1062．25"105453538007轴302004．44"1099．87"10“858667．9"1063．88"10558864548表5．9转动附加应力对构件承载力的影响柱子屋架上弦屋架下弦拉腹杆压腹杆3轴0．0340．0350．0690．0060．0127轴0．0610．0490．1050．01lO．02因此，通过分析柱基竖向变形、水平相对位移和转动引起框架柱、屋架备类杆件的内力变化及影响程度可知，柱基发生水平相对移动、相对转动对结构构件的内力影响较大，竖向相对沉降对结构构件内力的影响相对较小。竖向相对沉降产生的构件附加应力最大值仅为抗拉(压)强度设计值的2．3‰，水平相对位移产生的附加应力值为抗拉(压)强度设计值的3．9％o，而柱基转动产生的附加应力为抗拉压强度设计值的lo．5％，相对来讲，柱基转动对结构承载力影响较大，因此确定结构构件的变形参数时，严格控制柱基的转动和水平移动。根据以上分析以及地基基础评定标准，按照比例关系给出引起上部结构附加应力的地基变形范围值。地基本身评级时，按照地基沉降量、地基沉降速度评定，采用如下分级标准评级【42J：A级：厂房结构无沉降变形或裂缝已终止发展，不均匀沉降小于国家现行《建筑地基基础设计规范》规定的容许沉降差，吊车运行正常；B级：厂房结构沉降缝在短期内有终止发展趋势，连续两个月地基沉降速度小于2mm／月，不均匀沉降小于规范规定的容许沉降差，吊车运行比较正常；第55页 西安建筑科技大学硕士学位论文表5．7上柱柱底转动对构件内力的影响柱子屋架上弦屋架下弦受拉腹杆受压腹杆弯矩M轴力N弯矩M轴力N3轴62．299．0570．08841．82—67．27—5．24—9．857轴123．2817．75O．31282．83—133．45—10．16-19．18注：1、上柱柱底转动角度分别为0．05度，左边柱子顺时针转动，右边柱子逆时针转动。2、表中轴向力为正值时表示受拉，负值时表示受压。受拉腹杆受到的转动附加应力为压应力计算时表5．8转动附加应力作用截面特征系数柱子屋架上弦下弦拉腹杆压腹杆面积A惯性矩截面模量面积A惯性矩截面模量面积面积A3轴277003．96,1098．81"106588633．8"1062．25*105453538007轴302004．44"1099．87,10“858667．9"1063．88"10558864548表5．9转动附加应力对构件承载力的影响柱子屋架上弦屋架下弦拉腹杆压腹杆3轴O．0340．0350．0690．0060．0127轴0．0610．0490．105O．011O．02因此，通过分析柱基竖向变形、水平相对位移和转动引起框架柱、屋架各类杆件的内力变化及影响程度可知，柱基发生水平相对移动、相对转动对结构构件的内力影响较大，竖向相对沉降对结构构件内力的影响相对较小。竖向相对沉降产生的构件附加应力最大值仅为抗拉(压)强度设计值的2．3‰，水平相对位移产生的附加应力值为抗拉(压)强度设计值的3．9％0，而柱基转动产生的附加应力为抗拉压强度设计值的10．5％，相对来讲，柱基转动对结构承载力影响较大，因此确定结构构件的变形参数时，严格控制柱基的转动和水平移动。根据以上分析以及地基基础评定标准，按照比例关系给出引起上部结构附加应力的地基变形范围值。地基本身评级时，按照地基沉降量、地基沉降速度评定，采用如下分级标准评级吲：A级：厂房结构无沉降变形或裂缝已终止发展，不均匀沉降小于国家现行《建筑地基基础设计规范》规定的容许沉降差，吊车运行正常；B级：厂房结构沉降缝在短期内有终止发展趋势，连续两个月地基沉降速度小于2mm／月，不均匀沉降小于规范规定的容许沉降差，吊车运行比较正常；第5s页 西安建筑科技大学硕士学位论文C级：厂房结构沉降裂缝继续发展，短期内无明显终止趋向，连续两个月地基沉降速度大于2mm／月，不均匀沉降大于规范规定的容许沉降差，吊车运行不正常，但轨项标高或轨距尚有调整距离：根据地基变形量与截面附加应力的线性比例关系及《工业厂房可靠性鉴定标准》规定的分级界限，计算出的柱基变形对柱子的影响见表5．10。沉降变形对屋架的影响见表5．11。表5．10柱基变形条件下框架柱的评级标准A级B级c级竖向相对沉降竖向无相对沉降≤2174mm>2174mm上柱柱底水平相对位移无相对水平位移≤229mm>229mm上柱柱底相对转动无相对转动变形相对转角≤0．08相对转角>0．08表5．14柱基变形情况下屋架的评级标准A级B级C级竖向相对沉降竖向无相对沉降≤212ram>212mm上柱柱底水平相对位移无相对水平位移≤22mm>22mm上柱柱底相对转动无相对转动变形相对转角≤0．048度相对转角>o．048度5．1r3构件表面温度控制参数的确定以一落锤厂房7轴框架(图5．2)为研究对象，分析构件表面温度变化引起的附加内力情况，并对其变化程度进行分析。计算时假定部分构件中轴线温度为25度，上下表面温差为一50度，分别计算屋架下弦、框架柱下柱柱脚单柱肢截面温度变化时屋架上弦、下弦、腹杆以及柱中相应构件较大正附加内力，构件的附加内力、杆件截面特征以及附加内力的影响分别见表5．15、表5．16、表5．17。表5．15温度变化引起构件中的附加内力≥≮下柱上柱屋架上弦腹拉杆腹压杆下弦弯矩轴力弯矩轴力弯矩轴力(1)O15．1．2．084305．6ll0．210．368-0．019．3．54(2)0．62．5031．3561O6．491．335．379．3，75-6．1(3)562．0378．5334l--0．488．O．96．2．644O．31—0．1943-37注：1、升温部位(1)为单元编号为23的下弦杆：(2)为单元编号为22～24的下弦杆：(3)为单元标号为55的柱肢。2、弯矩的单位为盘Ⅳ．m，轴力的单位为盘Ⅳ。第56页 西安建筑科技大学硕士学位论文图5．8温度变化影响7轴杆件内力示意图表5．16温度附加应力对应的截面特征系数＼下柱上柱屋架上弦腹拉杆腹压杆下弦截面模量面积截面模量面积截面模量面积(1)601192．5987030238885．8624．4458．86(2)601192．5987030238885．8624．4424．“58．86(3)60l192．5987030222558．8659．5258．86注：截面模量单位为cm3，面积单位为cm2。表5．17温度附加应力引起截面内力变化系数＼下柱上柱屋架上弦腹拉杆腹压杆下弦(1)1．45*lo。3．97"104o．0670．7+1043．62"104-2．8"10。3(2)6．0l+10。1．68*10。0．0780．0100．007-4．8"10。(3)>l1．65*10‘30．0220．0521．52"10-42．66"10"’由表5．17中得到的数据可知，部分构件温度的改变将在结构构件中引起附加内力，无论下弦杆件还是柱脚截面的温度增加，部分上弦杆中引起的附加内力值均较大；下弦杆杆底截面温度增加时，都会在下弦杆中产生附加压应力，从而减小杆件的受力；框架下柱为格构式柱，当第57页 西安建筑科技大学硕士学位论文一个柱肢柱脚截面增温时，另一个柱肢内产生的附加应力很大，构件截面直接达到屈服。5．2单层钢结构厂房的状态可靠性评定一落锤厂房的①～⑤轴线、⑥～⑨轴线之间厂房的柱基标高不同且具有不同使用功能，将整个厂房划分为两个单元分别进行评定。由于现场检测获得的数据较少，无法准确的反映各构件实际情况，现仅对与地基竖向沉降有关的地基基础系统、柱系统详细评定其等级，而对其它状态因素的影响对柱系统、吊车梁系统、屋盖系统仅作概括性说明，具体评定时可以根据按照结构构件实际截面尺寸计算的因素影响系数来评定构件的等级。在以下的评定中，假定吊车梁系统、屋盖系统、柱系统中有部分构件因锈蚀、碰撞而引起截面削弱，这样的状态与现实情况比较接近。各系统的评定如下：l、地基基础可靠性评定单元1各柱基的沉降速度随时间增长逐渐减缓，沉降速度小于2ram／月，不均匀沉降量小于《地基基础设计规范》规定的0．003x32500-----97．5mm的要求，吊车运行正常，评定地基基础的等级为A级：单元2各柱基总体上沉降减缓，但在一段区间内还存在沉降速度大于2mm／月的变形，然后沉降速度又减Nd,于2ram／月的范围，相对沉降小于规范规定的容许值，吊车运行正常，从整体单元2地基基础的等级评定为B级。2、柱系统评级由于采用结构力学求解器计算沉降变形对构件内力的影响时，未考虑纵向构件对柱的约束，实际上按空间作用算得的内力变化较平面计算的略大，采用平面计算结果来判断结构的等级较冒险，为了安全起见，评定等级时降一级考虑。如果柱子存在水平相对位移或转动柱系统的等级评为B级，水平相对位移或相对转动较大时评定为C级。3、屋盖系统评级按照厂房实际检测结果，针对不同的构件(上弦、下弦、腹杆)分别按照表面温度、构件变形、截面损伤等状态因素的影响系数综合判断屋盖系统的评级。4、吊车梁系统评级按照吊车梁系统的评定方法，综合确定其等级为B级。5、其它楼梯、走道、屋面板、墙面等附属构件和围护构件，按照锈蚀、裂缝以及构件连接处焊缝、螺栓的变形情况，判定其可靠性等级，作为整个厂房评定等级时的参考。综合以上地基基础、上部结构(屋盖系统、吊车梁系统、柱系统)和围护结构的评级，评级主要由地基基础和柱系统确定，评定厂房结构整体可靠性的等级为B级。第58页 西安建筑科技大学硕士学位论文6结论和建议论文通过分析钢结构工业厂房事故和事故发生的原因，指出工业厂房的可靠性与结构构件的状态有关，地基变形和位移、构件表面温度、变形、锈蚀损伤引起的截面削弱等状态变化都影响结构构件的内力，根据现有的《工业厂房可靠性鉴定标准》(GBJl44-90)相关规定，提出了基于状态的可靠性评定方法，并对其进行了探讨，得出如下的结论和建议：(1)、钢结构工业厂房的状态直接影响厂房的可靠性，无论结构构件发生锈蚀引起截面削弱还是地基变形引起构件中附加应力，都会对构件的承载力、稳定性产生影响，从而影响到构件的可靠性，即按照结构状态与结构可靠性间的关系由地基变形、截面削弱、构件变形和表面温度的值评定结构构件的可靠性等级；(2)、锈蚀、损伤引起的构件截面削弱严重影响到结构构件的可靠性，轴心受拉构件截面削弱时可直接根据截面损失前后的面积比来评定，而对于稳定控制的轴心受压构件，截面削弱后构件承载力的变化与构件原计算长细比和截面损失率满足如下关系：霹=(o，00692+1．0547k+(0．9965+o．00022)，对于压弯构件仅给出了截面削弱后构件承载力变化的区间；(3)、温度不仅影响材料的力学特性，而且还在超静定结构中引起附加内力，屋架下弦杆件表面温度或者柱脚表面温度增加都会在屋架上弦杆中产生较大的附加内力，而柱脚表面温度增加时，将在该柱脚中引起非常大的附加内力，甚至引起反向屈服；(4)、轴向受压构件变形时，变形截面在轴压力和附加弯矩的共同作用下，截面边缘受压纤维提前屈服进入塑性状态，构件的可靠性降低，评定等级时可按照变形量与变形方向构件的宽度比确定；(5)、地基变形对单层钢结构工业厂房柱、屋架的内力都有影响，无论发生相对沉降、相对水平位移还是相对转动，结构构件中都会引起附加内力，附加内力与荷载作用下构件产生的内力相互叠加时，构件就会因两种内力的同时作用达到屈服、破坏，从而整个结构的可靠性降低。由计算可知，地基发生相对水平变形、相对转动时结构构件的附加内力值很大，而竖向不均匀沉降对结构承载力的影响较小。论文仅针对单层钢结构工业厂房提出了可靠性的状态评定方法，并进行了初步的探讨，还有很多不完善的地方需要继续研究，需要进一步工作的内容如下：(1)、论文计算时均采用矩形截面来说明，与实际钢结构工业厂房的截面形状(工字形、T形、角钢)不同，还需要采取实际截面进行验证不同因素作用下引起的附加应力系数；(2)、文中主要针对轴向受拉受压构件分析了各种状态因素作用下构件附加应力系数，而对于压弯构件、拉弯构件未作准确的计算，需要迸一步补充。第59页 西安建筑科技大学硕士学位论文致谢本文在完成过程中得到了导师姚继涛教授的悉心指导。导师在研究课题选题及论文整体框架的确立方面给予了我极大的帮助。同时，两年多来，导师对作者在生活及为人上影响颇深。在此表示感谢。在论文的写作过程中，得到西安建筑科技大学建(筑)物检测鉴定站各位老师及同学们的热心支持和帮助。在此一并表示诚挚的谢意。由于作者水平有限，文中难免存有不足之处，恳请专家、老师、同学们批评指正。第60页 西安建筑科技大学硕士学位论文参考文献[1]刘西拉、李田，工程结构可靠性鉴定标准的展望，建筑结构，1994年第5期[2]赵丕华、林志伸，《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》编制概况，工业建筑，1990年第11期[3]熊辉霞、李惠强，单层工业厂房可靠性鉴定探讨，南都学坛，2001年第3期[4]曹双寅、邱洪兴、王恒华，结构可靠性鉴定与加固技术，中国水利水电出版社，1999年4月[5]李继华，可靠性数学，中国建筑工业出版社，1988年5月[6]余安东、叶润修，建筑结构的安全性与可靠性，上海科学技术文献出版社，1986年5月[7]赵国藩、李云贵，旧有房屋结构性能的评估，大连理工大学土木系，1989[8]王光远，结构现有期间的动态可靠度及其维修理论初探，哈尔滨建筑工程学院学报，第23卷第2期，1990[9]李清富、刘晨辉，基于主观概率的结构破损状况评估，工业建筑，1995年第25卷第8期[10]郭书祥、吕震宙、冯立富，基于可能性理论的结构模糊可靠性方法，计算力学学报，第19卷第1期，2002年2月[11]董安正、赵国藩，建筑结构模糊可靠度置信区间的确定方法，建筑结构学报，第24卷第2期，2003年4月[123BilalM，Ayyub、Chao～Y1Chia，generalizedconditionalexpectationforstructuralreliabilityassessment，structuralsafety11(1992)131—146[13]RajashekharR．Malur，AdidamS．R．Sai，BruceR．Eling晰ood，Structuralreliabilityanalysisthroughresponsesurfaces，JournalofStructuralEngineering，Vol22No．4January1996PP．179—192[14]MalurR．Rajiashekhar、BruceR．Ellingwood，Anewlookattheresponsesurfaceapproachforreliahilityanalysis，structuralsafety12(1993)205—220[15]N．Gayton、J．M．Bourinet、M．Lemaire，CQ2RS：anewstatisticalapproachtotheresponsesurfacemethodforteliabilityanalysis。structuralsafety25(2003)99—121[16]KarenC．Chou、JieYuan，Safetyassessmentofexistingstructuresusingafilteredfuzzyrelation，structuralsafetyll(1992)173—189[17]姚继涛、赵国藩、浦聿修，现有结构可靠性基本分析方法，西安建筑科技大学学报，1997年12月，第29卷第4期[18]姚继涛，现有结构可靠性评定的标准和方法，诬安建筑科技大学2001年度学术大会论文(2002—1西安)，内部刊物[19]国家标准，工业厂房可靠性鉴定标准(GBJl44—90)，中国建筑工业出版社，1990年[20]国家标准，建筑结构可靠性设计统一。标准(GB50068--2001)，中国建筑工业出版社，2001正[21]姚继涛、马永欣、董振平、雷怡生，建筑物可靠性鉴定和加固，科学出版社，2003年6月[22]牛荻涛，混凝土结构耐久性与寿命预测，科学出版社，2003年2月[23]何水清、王善，结构可靠性分析和设计，国防工业出版社，1993年3月[24]吴世伟，结构可靠度分析，人民交通出版社，1990年8月[25]梁兴文、史庆轩，混凝土结构设计，科学出版社，2004年2月[26]罗福午，建筑结构缺陷事故的分析和防治，清华大学出版社，1996年12月[27]王济川、王杰，建筑物的损伤诊断与对策，1993年12月第6l页 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