考虑缺陷损伤的既有工业建筑结构构件校核分析

既有工业建筑延长使用年限、消除安全隐患、改变用途或使用环境、改建、扩建以及受损后的修复，均需要进行结构检测鉴定以及相应的结构设计。随着我国越来越多的工业建筑达到或接近其使用年限，对工业建筑结构鉴定并再次设计将成为未来设计的重要内容。

在对既有工业建筑结构构件进行检测鉴定时，经常遇到的问题是各类构件都存在有不同程度的缺陷或损伤。例如钢结构体系中，杆件局部变形、弯曲以及截面部分缺损等。钢筋混凝土体系中的构件开裂，露筋锈蚀等。这种情况下评定构件与结构的承载能力时就不能按照原设计的情况进行评估，而应考虑这些缺陷的不利影响。但过分地考虑不利因素势必会增加不必要的加固工作量，除造成费工、费钱以外，还有可能在加固中由于措施不当再次损伤原结构。所以，在结构检测鉴定过程中，如何合理地分析带缺陷损伤的结构构件，是一个值得仔细考虑的问题。

本文主要对带缺陷损伤的混凝土构件和钢构件承载力的计算方法进行总结。

计算分析时应考虑构件变形、缺陷和损伤的影响，并应按下列规定确定计算方法：

①超过允许变形的构件，应计入附加作用效应，必要时，还需单独对结构变形缺陷部位进行计算分析；

②混凝土结构的开裂构件，应计及刚度的降低；

③钢结构强度和整体稳定计算时，应计及腐蚀对截面的削弱；

④当构件损伤或缺陷可量化时，可扣除损伤或缺陷的截面尺寸后单独对承载力验算；

⑤对不能量化的构件损伤或缺陷，或虽能量化但不能在计算模型中计及其影响时，可先按无损伤、缺陷的构件计算承载力，再根据损伤、缺陷程度折减确定构件承载力。

（1） 锈蚀混凝土构件刚度和承载力计算

钢筋严重锈蚀后，粘结性能退化，受弯构件、偏心受压构件承载力计算时平截面假定不再成立、钢筋应变沿梁跨趋于均匀而存在应变滞后现象、造成界限相对受压区高度变化。对截面配筋小于界限配筋的适筋梁，可能出现受压区混凝土先压坏、受拉钢筋达不到屈服强度的情况。形成“粘结失效超筋梁”、构件承载力下降。

对锈蚀混凝土结构进行可靠性评定时，其承载力和刚度应按GB/T51355-2019《既有混凝土结构耐久性评定标准》第11章中提出的方法进行计算。

锈蚀钢筋混凝土受压构件承载力的计算方法 ：

1)锈蚀钢筋应变和混凝土应变不再满足平截面假定，且偏心距越大，不协调程度越大。小偏心受压构件可以忽略钢筋应变和混凝土应变差异的影响而大偏心受压构件不能忽略钢筋应变和混凝土应变差异的影响；

2)锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能的退化，造成钢筋和混凝土之间相对滑移增加，钢筋应变沿钢筋长度方向趋于均匀、钢筋不容易达到屈服；

3)锈蚀钢筋截面损失和粘结性能的退化对偏心受压构件承载力的影响与偏心距的大小有关；

4)锈胀裂缝和混凝土保护层的剥落造成的截面损伤，对偏心受压构件承载力有很大影响，对小偏心受压构件的影响尤为显著。 《既有混凝土结构耐久性评定标准》 GB/T51355-2019采用保护层损伤系数方法确定构件等效截面尺寸，计算锈蚀受压构件承载力。

锈蚀钢筋混凝土受弯构件刚度计算方法 ：根据GB/T51355-2019《既有混凝土结构耐久性评定标准》11.3.1条，锈蚀引起钢筋与混凝土间的粘结性能退化、导致钢筋与混凝土间的协同工作性能降低，裂缝间的钢筋应变趋于均匀、使裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数有增大趋势、从而导致锈蚀梁刚度降低。通过无粘结梁模拟试验也证实、仅粘结力丧失可使混凝土梁在使用阶段的刚度削弱40%左右。

通过有限元数值模拟和现有研究成果，当钢筋与混凝土之间的有效粘结力下降到20%之前锈蚀深度约为0.1mm、粘结力退化对钢筋应变的影响并不显著。当裂缝宽度超过1.5mm或钢筋锈蚀率超过6.0%、或钢筋锈蚀深度达0.25mm～0.30mm，钢筋与混凝土之间的粘结力大部分丧失。本标准将锈蚀深度0.1mm作为综合应变系数显著变化的界限、将锈蚀深度0.25mm 作为刚度计算中粘结力完全丧失的界限值。

（2） 截面削弱混凝土构件承载力计算

根据《工业建筑可靠性鉴定标准》GB50144-2019中5.0.6条，结构或构件的几何参数应取实测值，并应考虑结构实际的变形、偏差以及裂缝、缺陷、损伤、腐蚀、老化等影响。故截面削弱后的混凝土构件在计算其强度、稳定性时， 需按现有的有效截面考虑 。

（3）带裂缝混凝土构件承载力计算

钢筋混凝土和预应力混凝土构件，应根据国家标准《混凝土结构设计规范》GB?50010中第3.3.4条的规定，按所处环境类别确定相应的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值。带裂缝构件的应力验算，可参考《混凝土结构设计规范》GB?50010第8.1节裂缝控制验算中的相关规定进行计算。

考虑缺陷或损伤对构件承载能力的不利影响，可同时考虑由精确计算简图、材料性能、荷载等几方面有利因素形成的承载潜力。

带缺陷构件的承载能力分析与校核可分为带缺陷构件的整体结构受力分析与带缺陷构件的精细化分析，分析方法宜采用直接分析法进行。计算带缺陷、损伤构件的极限承载能力时，宜进行有限元仿真计算，计算模型应能足够准确的模拟缺陷、损伤，边界条件和荷载作用。

（1）缺损、变形钢结构承载力计算

有缺损钢结构构件的强度验算 ，可按下列规定进行：

1)截面有缺损（孔洞、切口、烧穿或磨损）的构件，应按现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017 进行毛截面屈服和净截面拉断验算。进行净截面拉断验算时，应取缺损最大处的最不利截面；

2)对有弯曲缺陷的受拉杆件，当弯曲值小于L/750时，可不考虑承载力的降低。否则应按拉弯构件核算；

有缺损钢结构轴压构件的稳定验算， 应按下列规定进行：

1)局部截面有缺损，但截面缺损率不大于25%且构件整体弯曲变形小于L/1000时，整体稳定计算可近似按下式进行：

  式中 ： N —轴向压力设计值

A _n —扣除孔洞后的净截面面积；

—原截面受压构件的稳定系数，按现行国家标准《钢结构设计标准》GB50017取用。

2)对于有弯曲缺陷的轴压杆件，当弯曲值大于L/1000时，应按压弯构件核算。

3)对于没有明显局部缺陷，但有双向整体弯曲缺陷的双角钢受压腹杆，可按下式进行计算。

式中 —考虑整体弯曲缺陷的折减系数，可按下表采用。

  有双向弯曲缺陷的双角钢受压腹杆的承载能力表

注：Δy—平面外弯曲；Δx—平面内弯曲。

4)两端有节点板的除双角钢外的其他截面形式屋架腹杆按压弯杆件验算时，应按国家标准《钢结构设计标准》GB50017-2017第8.5节的规定进行验算。

结构或构件的总体变形和局部变形可采用激光扫描与数字图像法进行精细化建模。

（2）锈蚀钢构件承载力计算

腐蚀钢构件 应按下列规定考虑腐蚀对钢材性能和截面损失的影响 ：

1)对于普通钢结构，当腐蚀损伤平均量超过初始厚度的10％且剩余厚度不大于5mm时，钢材强度应乘以0.8的折减系数。对于冷弯薄壁钢结构，当截面腐蚀大于5%时，钢材强度应乘以0.8的折减系数。

2)强度和整体稳定性验算时，钢构件截面积和截面模量的取值应考虑腐蚀对截面的削弱。

对于带裂缝钢吊车梁构件的承载能力分析与校核 ，可建立带裂缝构件的精确有限元模型，进行裂纹扩展分析，裂缝的识别可采用数字图像法。

缺陷或损伤对疲劳抗力的影响可采用下列比对试验的方法确定折减系数 ：

1)比对试验应为有缺陷或损伤与无缺陷无损伤试件之间的比较；

2)有缺陷或损伤试件的缺陷与损伤宜与现场实际情况接近；

3)试验采用的应力幅宜为试验设备所能完成的最大应力幅；

4)有缺陷或损伤试件的疲劳破坏循环次数与无缺陷无损伤试件疲劳破坏循环次数的比值可作为所有应力等级疲劳抗力的折减系数。