【摘要】上海某鋼廠三號(hào)高爐，擬進(jìn)行大修改造。由于使用至今已近18年，且該高爐區(qū)域作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、惡劣，結(jié)構(gòu)體系屬于復(fù)雜的外露式鋼框架結(jié)構(gòu)，故需對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次嚴(yán)格的檢測和安全性評定。本報(bào)告對結(jié)構(gòu)的整體變形、鋼構(gòu)件銹蝕程度、混凝土構(gòu)件強(qiáng)度、構(gòu)件尺寸與等進(jìn)行了復(fù)核測試，對結(jié)構(gòu)建立計(jì)算分析模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性評定，為后續(xù)功能改造提供了有效支撐。
1.檢測概述
某鋼廠三號(hào)高爐，由重慶鋼鐵設(shè)計(jì)研究院(現(xiàn)中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司)設(shè)計(jì)，至今使用已近18年。該高爐區(qū)域作業(yè)環(huán)境惡劣，且結(jié)構(gòu)體系屬于復(fù)雜的外露式鋼框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)委托方的大修計(jì)劃和要求，本方秉承真實(shí)、準(zhǔn)確的檢測原則，對整體高爐鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次嚴(yán)格的檢測和安全性評定，為整個(gè)高爐大修、結(jié)構(gòu)改造或加固提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。
某鋼廠三號(hào)高爐(3BF容積4350m3)爐體鋼框架為由4根立柱組成的單跨多層鋼框架結(jié)構(gòu)，框架底部柱腳中線尺寸38.2×38.2m，總高83.30m。框架基礎(chǔ)(柱子)頂面標(biāo)高3.4m，與高爐基礎(chǔ)連為一體。
鋼框架結(jié)構(gòu)沿高度方向分為三個(gè)部分，分別為爐體下部框架、爐體上部框架和爐頂框架。
1.1 檢測鑒定的范圍
本次三號(hào)高爐大修改造高爐本體及上升下降管需要檢測評定的內(nèi)容包括：
1) 高爐本體基礎(chǔ)及樁：基礎(chǔ)、鋼樁;
2) 高爐框架，包括：上部框架及下部框架;
3) 爐頂框架及平臺(tái)連接處節(jié)點(diǎn)檢測;
4) 上升下降管垂直度、管壁殘余厚度以及連接節(jié)點(diǎn)檢測。
1.2主要工作內(nèi)容
根據(jù)安全性評定方案需對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的變形(整體變形和局部變形)、節(jié)點(diǎn)連接及腐蝕等狀況進(jìn)行現(xiàn)場檢測，檢測的內(nèi)容見表1-1。
2.房屋概況
爐體下部框架的標(biāo)高范圍為3.40m～28.20m，框架梁柱均采用箱形截面，主要框架柱、橫梁及橫梁支柱采用SM50B鋼材，一層平臺(tái)(標(biāo)高9.150)和第三層平臺(tái)(標(biāo)高28.200)除鐵溝下部大梁采用SM50B鋼材外，均采用SM41A鋼材。爐體下部框架設(shè)三層主要平臺(tái)，第一層平臺(tái)為出鐵場平臺(tái)，平臺(tái)框架梁頂面標(biāo)高9.150m;第三層平臺(tái)為爐體下部框架頂檢修操作平臺(tái)，平臺(tái)框架梁頂面標(biāo)高28.20m，為鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)。爐體下部框架出鐵場平臺(tái)及以下鋼結(jié)構(gòu)均外包鋼筋混凝土隔熱層，出鐵場廠房及部分吊車荷載作用于該框架。
爐體上部框架，標(biāo)高范圍為28.20m~44.80m，框架柱采用“十字”形截面，采用SM50B鋼材;框架橫梁及框架斜撐采用SM50B鋼材;第四層平臺(tái)~第六層平臺(tái)焊接H型鋼及鋼板采用SM41A鋼材;所有型鋼采用Q235-A·F。爐體上部框架設(shè)四層主要平臺(tái)，其中，第四層平臺(tái)標(biāo)高32.40m，第五層平臺(tái)標(biāo)高36.60m，第六層平臺(tái)標(biāo)高40.80m，第七層平臺(tái)標(biāo)高44.80m。
爐頂框架，標(biāo)高44.80m~83.30m，爐頂框架設(shè)三層主要平臺(tái)，所有平臺(tái)均為鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)。
4.檢查及分析結(jié)果
4.1高爐基礎(chǔ)沉降檢測
根據(jù)實(shí)際情況，采用Leica NA2水準(zhǔn)儀加測微器及銦鋼尺對通廊支柱基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測，檢測結(jié)果表明本次基礎(chǔ)沉降檢測值(2012年2月9日)和(2011年9月10日)檢測的沉降值相比，兩次數(shù)據(jù)相比相差約為3mm左右，變化較小。
4.2 高爐基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度及碳化深度檢測
采用鉆芯法現(xiàn)場對3號(hào)高爐高爐基礎(chǔ)、箱型柱下部、下部箱型梁混凝土強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測。結(jié)果表明，所測基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度推定值在26.8~44.3MPa之間，所測混凝土構(gòu)件均有一定程度的碳化，碳化深度約在8mm~24mm范圍內(nèi)。
4.3 基礎(chǔ)混凝土損壞狀況檢測
檢測發(fā)現(xiàn)有2個(gè)基礎(chǔ)在0度方向有混凝土疏松、空鼓現(xiàn)象，見圖7.3。JⅠ-1-1損傷厚度最深約為18mm，損傷面積約為10m2，有鋼筋外露現(xiàn)象，見照片7.3.1，JⅡ-1-1損傷厚度最深約為13mm，損傷面積約為6.25m2，見照片7.3.2。其余混凝土構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)有裂縫、疏松等損傷現(xiàn)象。
4.4 高爐本體框架柱傾斜、梁撓度等構(gòu)件變形情況
4.4.1 上部框架標(biāo)高28.2m至44.8m十字柱垂直度檢測
現(xiàn)場使用全站儀對上部框架標(biāo)高28.2m至44.8m十字柱垂直度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明：十字柱傾斜率均在《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB 50144-2008規(guī)范中表7.3.9評定B級的范圍內(nèi)。
4.4.2 上部框架梁、H型支撐及下部框架箱型梁變形檢測
現(xiàn)場對各梁的撓度采用徠卡TCR1202全站儀進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果可見所測構(gòu)件撓度及變形均在《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》50144-2008中6.3.6所規(guī)定的范圍內(nèi)。
4.5 高爐本體框架柱梁連接節(jié)點(diǎn)變形情況及高強(qiáng)螺栓檢測
檢測發(fā)現(xiàn)有個(gè)別節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，高強(qiáng)螺栓進(jìn)敲擊檢測未發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)脫落等現(xiàn)象。
4.6 高爐及爐頂框架梁、柱等主要構(gòu)件局部變形情況
現(xiàn)場使用目測的方法對高爐梁、箱型柱進(jìn)行局部變形檢查，通過檢查發(fā)現(xiàn)爐頂框架梁L180-8-1梁中位置出現(xiàn)上翼緣變形，見圖4-4，位置見圖4-3。其余構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)有局部變形情況。
連接方式為焊接，經(jīng)探傷此處焊縫未發(fā)現(xiàn)缺陷。對其他高強(qiáng)螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)，脫落等現(xiàn)象。
4.8 爐頂框架柱梁、檢修吊車平臺(tái)及斜撐的構(gòu)件銹蝕狀況
現(xiàn)場對上部框架梁柱節(jié)點(diǎn)，H型支撐連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行完損檢測。檢測發(fā)現(xiàn)有個(gè)別節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，具體見表4-1。
4.9 上升下降管檢測
4.9.1 上升下降管銹蝕情況
由于上升下降管長期處在高溫狀態(tài)，所以管壁基本未見銹蝕，由于高溫原因表明涂層顏色已改變，但對其影響不大。
4.9.2 上升管垂直度檢測
現(xiàn)場使用全站儀對上升管垂直度進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果表明：四根上升管均有一定傾斜，但傾斜率均在《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB 50144-2008規(guī)范中表9.2.7評定的范圍內(nèi)。
4.9.3 上升管及上升下降管連接處主要焊縫檢測
對上升管連接焊縫、上升管與下降管相連接處焊縫進(jìn)行探傷，結(jié)果表明：下降管最頂部焊縫存在缺陷，見圖4-9、圖4-10。其余焊縫未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在。
4.9.4 上升管與下降管紅外熱成像檢測
通過紅外熱成像技術(shù)對上升管與下降管進(jìn)行檢測，分析其管壁、內(nèi)材現(xiàn)狀。此紅外熱成像檢測為非破損手段，檢測結(jié)果僅供參考。
圖中有可見光照片和熱紅外照片作比較。熱紅外照片中呈現(xiàn)白色的代表溫度比正常區(qū)域偏高很多，由此我們懷疑管道的白色區(qū)域存在缺陷。
5 結(jié)構(gòu)整體分析
5.1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型
本結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型以委托方提供的圖紙為基礎(chǔ)，并輔以現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，采用3D3S軟件建立。結(jié)構(gòu)空間計(jì)算模型如圖5-1和圖5-2所示。
5.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果
(1)結(jié)構(gòu)自振特性
主體框架的前10階自振周期如表5-1所示，主體框架的前4階振型如圖5-3~圖5-5所示。
由圖5-3~圖5-5可知，結(jié)構(gòu)的前兩階振型均為整體平動(dòng)振型，第3階振型為整體扭動(dòng)振型，第4階為整體平動(dòng)振型，第五階振型至第十階振型為局部振型，振型分布合理。由表5-1可知，結(jié)構(gòu)的第1階自振周期為2.19s，第3階自振周期為1.53s，周期比為0.7，周期比較小，表明結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較小。
(2)結(jié)構(gòu)變形分析
主體框架在風(fēng)荷載作用下的變形如圖5-6、圖5-7所示。
參考《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99-98)5.5.2第二條可知，高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移標(biāo)準(zhǔn)值，不得超過結(jié)構(gòu)層高的1/250，主體框架在地震作用下的層間位移角如表5-2所示。
6 結(jié)論與建議
6.1 結(jié)論
根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果及出鐵場主廠房及平臺(tái)計(jì)算結(jié)果，參照現(xiàn)行規(guī)范及規(guī)程對某鋼廠3號(hào)高爐出鐵場主廠房及平臺(tái)進(jìn)行檢測鑒定，得出如下結(jié)論，
(1)高爐基礎(chǔ)沉降檢測數(shù)據(jù)表明，基礎(chǔ)沉降量(相對于上次沉降量差值)較小，其引起的結(jié)構(gòu)傾斜不影響結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用性。
(2)混凝土檢測結(jié)果表明，一個(gè)基礎(chǔ)混凝土芯樣推定強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，且碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，且部分基礎(chǔ)混凝土存在疏松、空鼓和露筋現(xiàn)象;柱外包混凝土和梁外包混凝土碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，但其作用為保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)免受外界腐蝕，不承擔(dān)受力，故不影響構(gòu)件的安全性。
(3)上部框架標(biāo)高28.2m至44.8m十字柱垂直度檢測結(jié)果表明，其變形均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(4)上部框架梁、H型支撐及下部框架箱型梁變形檢測結(jié)果表明，其變形均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(5)上部框架十字柱腳與箱型柱柱頭連接、框架梁柱與H型支撐連接節(jié)點(diǎn)情況及高強(qiáng)螺栓檢測結(jié)果表明，個(gè)別節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象;高強(qiáng)螺栓進(jìn)敲擊檢測未發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)脫落等現(xiàn)象。
(6)爐頂框架柱垂直度檢測結(jié)果表明，其變形均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(7)爐頂框架梁及吊車平臺(tái)梁變形檢測結(jié)果表明，其變形均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(8)高爐及爐頂框架梁、柱等主要構(gòu)件局部變形情況檢測結(jié)果表明，爐頂框架梁L180-8-1梁中位置出現(xiàn)上翼緣變形，其余構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)有局部變形情況。
(9)爐頂框架主要連接焊縫及主要連接螺栓檢查結(jié)果表明，螺栓連接和焊縫質(zhì)量均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(10)爐頂框架柱梁、檢修吊車平臺(tái)及斜撐的構(gòu)件銹蝕狀況檢測結(jié)果表明，
個(gè)別節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件存在銹蝕現(xiàn)象。
(11)上升下降管管壁銹蝕輕微;四根上升管均有一定傾斜，但均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。
(12)上升管及上升下降管連接處主要焊縫檢測結(jié)果表明，下降管最頂部焊縫存在缺陷，其余焊縫未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在;
(13)紅外熱成像技術(shù)對上升管與下降管進(jìn)行檢測發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域溫度比正常區(qū)域溫度高很多，估計(jì)該異常區(qū)域可能存在缺陷。
(14)設(shè)計(jì)復(fù)核結(jié)果表明主體框架安全性滿足要求。
6.2 建議
(1)高爐主體框架基礎(chǔ)疏松起鼓部分采取修復(fù)措施，建議鑿除疏松混凝土，植筋，與原鋼筋網(wǎng)焊接，修補(bǔ)厚度2cm及以下部位，用修補(bǔ)料修補(bǔ)，2cm以上部位立模版，灌自密實(shí)灌漿料修補(bǔ)。
(2)存在銹蝕現(xiàn)象的上部框架節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件采取除銹防銹措施，對存在銹蝕的構(gòu)件采取加固措施，對存在銹蝕的節(jié)點(diǎn)增加必要的隔離空氣維護(hù)措施。
(3)上翼緣變形的爐頂框架梁對變形區(qū)域采取加固措施，可增加肋板防止進(jìn)一步的變形。
(3)存在銹蝕現(xiàn)象的爐頂框架節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件采取除銹防銹措施，對存在銹蝕的構(gòu)件采取加固措施，對存在銹蝕的節(jié)點(diǎn)增加必要的隔離空氣維護(hù)措施。
(4)建議對上升下降管做進(jìn)一步的專業(yè)檢測，以確定異常區(qū)域是否存在缺陷，進(jìn)而為加固維護(hù)提供依據(jù)。
