膜结构因其造型丰富, 施工快捷等特点, 在我国百富策略白菜网日益广泛, 特别是其自重极轻的特点使其特别适合于大跨空间结构的建造[[1,2]。但由于膜材柔软易变形, 且存在较明显的松弛和徐变现象, 这些因素对膜结构的预张力会产生影响, 而预张力的大小直接影响膜结构体系刚度, 因此, 相对于其余类型的结构, 膜结构的定期检查维护显然更为必要[[3]。

然而, 由于现代膜结构在我国的起步较晚, 与其相关的设计、工程管理、技术管理等方面的相应质量技术标准都较为欠缺[[4], 而属于该类结构的各种相关鉴定检查工作更是缺乏经验, 本文以实际工程为背景, 探讨膜结构进行正常使用性鉴定的要点。

该工程为某高速公路收费站收费棚。该收费棚上部结构为钢管拱桁架索膜结构。主体结构由钢格构柱、拱形钢桁架通过钢丝绳拉索形成空间整体结构。钢格构柱柱顶标高为28.00m, 跨度约66.60m, 基础为冲孔灌注桩, 除主体钢骨架膜结构外, 在该膜结构下方尚有14个附属膜伞结构。膜材采用FT1202T2, 拱膜及14个膜伞面积为1 610m2, 建筑全貌如图1所示, 主体结构平立面布置、轴线编号及拉索编号如图2~图3所示。该工程至实施鉴定时间为止已使用8年, 为了对该结构的工作状况进行全面检查并针对检查过程中发现的问题及时进行维护处理, 对该结构组织实施了正常使用性鉴定。

该结构的正常使用性鉴定在框架上保持与当时的《民用建筑可靠性鉴定标准》[[5]一致, 以便依据鉴定标准的评级规定实施评价。但是, 同一般结构相比, 在具体鉴定过程中必须根据索膜结构的材质、受力及工作特性, 以及该结构体系的特点, 进行一些特殊的检查。主要体现在以下3个方面:

由于上部质量极轻, 膜结构工作中所受的较大的荷载可能来自风吸力引起的向上拉伸作用, 此外, 钢骨架部分为拱形结构, 支座处在竖向荷载作用下产生的水平推力也较大, 因此, 针对其地基基础的检查, 需要更加注意基础周边可能由于侧推或拉拔引起的结构或场地响应。

与普通结构件不同的是, 膜材、拉索均属于预应力构件, 且只能单向受力, 同时, 施加在这些构件上的预应力显著影响整个结构体系的刚度, 因此, 该类构件应作为检查中的重点。

其中, 拉索可能产生的主要问题有松弛、锈蚀、断丝以及连接件病害等, 而膜可能产生的主要问题有松弛、褶皱、破裂、透光、积水、霉变、拼接贴片剥离等。由于松弛、大面积褶皱, 或大范围破裂, 均显著降低膜面整体刚度, 在强风作用下易出现颤振进而严重影响结构安全, 是膜构件检查的重点。

此外, 与一般材料不同的是, 膜材积水与膜材变形, 属于相互耦合因素, 因此, 应避免存在该类隐患。

该结构除索膜以外, 其余结构件均为钢结构, 而与多数的钢结构不同的是, 该结构的钢构件全部裸露在外, 无任何围护系统包裹保护, 因而, 其构件及各种连接件, 更易于遭受意外荷载、雨水侵蚀等外部作用带来的损伤。

因此, 根据以上分析, 针对该结构所实施的鉴定过程如下:

(1) 结构布置核查:建筑及结构的平、立面布置核查, 结构构件尺寸抽查。

(2) 地基基础检查:观察支承柱及拱脚支座处周边地面有无沉陷、起拱、开裂等因基础移位等引起的地面破坏迹象。

(3) 结构及构件的工作状态检查:①钢格构柱构件工作状态检查;②拱形钢桁架构件工作状态检查;③缆绳及其节点工作状态检查;④撑杆及弯管等膜上方钢结构构件工作状态检查;⑤钢格构柱柱顶倾斜及拱形钢桁架线形量测。

(4) 焊缝质量检查。

(5) 膜及附属结构工作状况检查。

(6) 根据现场检测数据进行分析, 结合现状调查、勘测结果, 对建筑物的正常使用性进行鉴定评级。

根据现场检查结果, 该结构当前所存在的主要问题, 如表1所示。

表中除了存在与普通钢结构类似的正常使用性问题之外, 该结构大量问题均集中于拉索及膜构件或与之相关的地基基础使用状况上。文中给出该工程部分与索、膜构件相关使用问题的典型图片, 如图4~图9所示。

为了确定拉索的受力状态, 该工程对拉索采用振动法进行了全面的索力测试, 采用的设备为泰斯特TST5927无线索力测试分析系统。索力测试的结果验证了对拉索状态的检查判断结果。图10~图11分别给出了该工程较为典型的LS-02- (5-7) - (F-J) 、LS-07- (4) - (F-J) 两根拉索的振动测试平均谱图, 其中的LS-02- (5-7) - (F-J) 表示位于5轴与7轴、F轴与J轴间的LS-02, LS-07- (4) - (F-J) 表示位于4轴、F轴与J轴间的LS-07。从图10~图11的对拉索测试平均谱图可以看出, LS-02- (5-7) - (F-J) 的平均谱图上明显在等间隔处出现了峰值, 表明该索处于张紧状态;而LS-07- (4) - (F-J) 的平均谱图则十分杂乱, 没有明显的峰值响应, 表明该索处于松弛状态。

综合考虑了地基基础、上部钢骨索膜结构系统及附属结构系统的检查及鉴定结果, 最终给出的该膜结构收费站收费棚正常使用性等级评定为Css级, 即该结构当时状态显著影响整体使用功能, 应采取措施进行处理。

对于膜结构的正常使用性鉴定, 首先还是应从结构体系的受力及传力概念出发, 根据膜结构的特殊性分析其可能产生的异常状态;其次, 对于索膜这类特殊但又是极为重要的构件, 应作为结构检查中的重点, 主要的检查项目包含松弛、锈蚀、断丝以及连接件病害等, 而膜可能产生的主要问题有松弛、褶皱、破裂、透光、积水、霉变、拼接贴片剥离等。

由于多数的膜结构均采用钢材作为骨架部分, 因此其正常使用性鉴定, 对于钢骨架部分可参照常规钢结构实施。