結(jié)構(gòu)微損舊廠房的加固及抗震性能

張哲，劉洪濱，關(guān)鍵

（1.遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088）

結(jié)構(gòu)微損舊廠房的加固及抗震性能

張哲1，劉洪濱1，關(guān)鍵2

（1.遼寧科技大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧鞍山114051；2.中冶建筑研究總院有限公司，北京100088）

某化工廠廠房為混凝土框排架體系和不規(guī)則錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，因建成時(shí)間過長，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的破損。為了保證結(jié)構(gòu)的正常使用，對(duì)該化工廠廠房進(jìn)行了檢測(cè)、鑒定與加固設(shè)計(jì)。對(duì)加固后的建筑進(jìn)行了多遇及罕遇地震下靜力彈塑性分析。分析表明，該結(jié)構(gòu)加固后滿足“強(qiáng)柱弱梁”的概念設(shè)計(jì)要求，從結(jié)構(gòu)靜力彈塑性分析可以看出，結(jié)構(gòu)的破壞首先發(fā)生在進(jìn)行過加固處理但是截面尺寸較小的構(gòu)件。證明了錯(cuò)層結(jié)構(gòu)可以采用局部加固的措施進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，但同時(shí)也需要進(jìn)行整體分析計(jì)算，確保結(jié)構(gòu)安全可靠。

結(jié)構(gòu)加固；檢測(cè)與鑒定；靜力彈塑性分析；抗震性能

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用30～50年之后會(huì)出現(xiàn)一定的損傷和安全隱患，可采取加固措施或加層來降低事故概率［1］。國外對(duì)結(jié)構(gòu)加固的研究相對(duì)較早，日本、美國已經(jīng)形成了一套豐富成熟的理論體系。國內(nèi)相關(guān)專家緊跟國外建筑結(jié)構(gòu)加固的研究步伐，近些年不斷地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。蔣青青等對(duì)采用外包鋼法加固的鋼筋混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究［2］；王余棘等分別對(duì)采用增大截面法四周加固和采用外包鋼法加固的鋼筋混凝土柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究［3］；白保旭、白剛、張保檢、梁紅星等人先后對(duì)粘鋼法加固混凝土構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗疲勞等性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和受力情況分析［4-7］；劉祖華等利用解析方法分析了粘鋼加固梁的受力情況［8］。這些研究都極大地促進(jìn)了我國建筑結(jié)構(gòu)加固理論的發(fā)展。同時(shí)我國還頒布了一系列的結(jié)構(gòu)加固規(guī)范，如《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》等。這些專業(yè)的改造加固類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范一起，初步形成了我國建筑工程改造加固領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，對(duì)我國該領(lǐng)域的發(fā)展和各種最新科研成果的推廣應(yīng)用起到了積極作用［9］。

本文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)某化工廠房結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行相應(yīng)的鑒定與加固。綜合考慮結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定結(jié)論和靜力分析結(jié)論給出了結(jié)構(gòu)的加固措施，對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，確保了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。由于結(jié)構(gòu)是錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，考慮到結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，運(yùn)用SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，得出結(jié)構(gòu)在多種地震作用下的性能點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)展過程，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)遭受強(qiáng)震時(shí)的安全性，并找出結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為后期維護(hù)提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

某化工廠框架建于1993年，采用混凝土框排架結(jié)構(gòu)體系。A～D軸為單層框架，平臺(tái)高度為11.480 m；D～F為錯(cuò)層框架，平臺(tái)高度為8.980 m、14.480 m?？蚣芸傞L30.000 m，寬15.000 m，橫向柱距為6.000 m，縱向柱距為7.500 m，框架柱均采用500 mm×800 mm的鋼筋混凝土柱。框架柱基礎(chǔ)為鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，框架為露天無圍護(hù)結(jié)構(gòu)。框架柱布置如圖1所示。

圖1 框架柱布置圖，mmFig.1 Frame column layout，mm

2 結(jié)構(gòu)的檢測(cè)加固

2.1 結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，框架柱、梁的混凝土保護(hù)層開裂、脫落，鋼筋裸露嚴(yán)重銹蝕，且所檢測(cè)平臺(tái)梁和板混凝土強(qiáng)度高于C20等級(jí)，低于設(shè)計(jì)要求的C25等級(jí)；柱混凝土強(qiáng)度高于C25等級(jí)，低于設(shè)計(jì)要求的C30等級(jí)。原結(jié)構(gòu)配筋率在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度折減之后仍符合要求，結(jié)構(gòu)的X，Y方向?qū)娱g位移角均小于規(guī)范規(guī)定的1/500，結(jié)構(gòu)柱的軸壓比均小于0.75的要求。

根據(jù)國標(biāo)《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50144-2008），對(duì)某化工廠框架結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢查、檢測(cè)、計(jì)算及分析，得出鑒定結(jié)論如下：該廠房結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件破損嚴(yán)重，存在安全性缺陷和隱患，可靠性等級(jí)為三級(jí)，即該框架不符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的可靠性要求，在目標(biāo)使用年限內(nèi)明顯影響整體正常使用，應(yīng)采取加固措施。

2.2 結(jié)構(gòu)的加固分析

2.2.1 加固設(shè)計(jì)綜合結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)果采取以下加固措施：（1）對(duì)有裂縫，保護(hù)層脫落的混凝土柱、平臺(tái)梁加以修補(bǔ)，鑿除破損的混凝土保護(hù)層，將外露鋼筋進(jìn)行除銹處理，噴射灌漿料重新保護(hù)。（2）對(duì)有鋼筋裸露銹蝕嚴(yán)重的混凝土柱、平臺(tái)梁需將外露鋼筋進(jìn)行除銹處理，噴射灌漿料重新保護(hù)后用角鋼及鋼板加固。對(duì)現(xiàn)狀缺陷評(píng)級(jí)為c和d級(jí)的混凝土梁柱進(jìn)行加固。

綜合考慮場(chǎng)地條件，價(jià)格比，性能比等條件決定采用外包型鋼加固法。結(jié)構(gòu)的梁和柱均采用規(guī)格為L160×16 mm的等邊角鋼對(duì)其加固，具體的加固形式如圖2所示。

圖2 框架柱梁加固圖Fig.2 Schematic diagram of reinforced frame

2.2.2 分析計(jì)算采用PKPM軟件對(duì)結(jié)構(gòu)加固前后計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比，并給出了具體的對(duì)比結(jié)果。

（1）加固前后周期對(duì)比。由表1可知，加固后結(jié)構(gòu)的X方向平動(dòng)周期為加固前的81.09%，Y方向平動(dòng)周期為加固前的81.08%，扭轉(zhuǎn)周期為加固前的79.62%。周期縮短說明加固后結(jié)構(gòu)整體剛度增加。

其中，礦石礦物主要有毒砂、黃鐵礦、褐鐵礦、自然金；脈石礦物主要為石英、絹云母、白云石、方解石。礦石結(jié)構(gòu)主要有自形粒狀結(jié)構(gòu)、半自形粒狀結(jié)構(gòu)、他形粒狀結(jié)構(gòu)、草莓狀結(jié)構(gòu)、交代結(jié)構(gòu)、包含結(jié)構(gòu)、變余顯微鱗片泥質(zhì)結(jié)構(gòu)等。礦石構(gòu)造主要有浸染狀構(gòu)造、脈狀穿插構(gòu)造、斑雜構(gòu)造[6]。礦體圍巖蝕變較明顯，主要有硅化、絹云母化、碳酸鹽化、黃鐵礦化、毒砂化等。礦石主要為浸染狀壓碎巖型。主要含金礦物為毒砂，Au元素以細(xì)小的自然金的形式被毒砂包裹。

表1 加固前后周期對(duì)比Tab.1 Comparison of period before and after reinforcement

（2）加固前后軸壓比對(duì)比。由表2可知，經(jīng)加固處理的柱子軸壓比減小了一半左右，未經(jīng)加固的柱子軸壓比不變或略有增加，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)部分剛度增大，內(nèi)力發(fā)生重分布。柱子的軸壓比均滿足規(guī)范要求。

表2 加固前后軸壓比對(duì)比Tab.2 Axial compression ratio of concrete column of reinforced structure

（3）加固前后層間位移角對(duì)比。由表3可知，加固后結(jié)構(gòu)的X方向的層間位移角為加固前的93%，Y方向的層間位移角為加固前的92%。其大小滿足規(guī)范要求。

表3 加固前后層間位移角對(duì)比Tab.3 Comparison of interlayer displacement angle before and after reinforcement

所以只對(duì)部分構(gòu)件加固，結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能仍然符合規(guī)范要求，加固處理合理。

3 結(jié)構(gòu)的靜力彈塑性分析

由于本結(jié)構(gòu)為錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，薄弱部位在遭遇強(qiáng)震時(shí)可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞，故需要對(duì)其進(jìn)行多種地震下的彈塑性分析［10］。本文選用SAP2000軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析，以探討結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的抗震性能。

3.1 結(jié)構(gòu)荷載施加

常用的荷載施加方式有三種：重力荷載+大小相等的均布荷載，重力荷載+倒三角荷載，重力荷載+結(jié)構(gòu)振型分解反應(yīng)譜法組合出的慣性力。本文采用重力荷載+Y方向水平荷載的加載方式。

3.2 塑性鉸的定義

圖3 塑性鉸的力-位移曲線Fig.3 Force displacement curve of plastic hinge

本文均采用系統(tǒng)默認(rèn)鉸，在距離結(jié)構(gòu)梁兩端十分之一梁長處分別定義了一個(gè)彎矩（M3）塑性鉸，在距離柱兩端十分之一柱長處分別定義一個(gè)雙向彎矩軸力耦合鉸（P-M2-M3）［12］。

3.3 荷載-位移曲線的確定

結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線如圖4所示。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)位移也在增加，且隨著荷載的增加，曲線的斜率逐漸減小，這是由于結(jié)構(gòu)塑性鉸的增加使結(jié)構(gòu)剛度降低。結(jié)構(gòu)荷載最大值為3 264 kN，此時(shí)的位移約為0.033 mm。

圖4 結(jié)構(gòu)的荷載位移曲線Fig.4 Force-displacement curve of structure

3.4 結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)的確定

不同形式地震的最大影響系數(shù)αmax大小不同，從而使得反應(yīng)譜不同，軟件通過定義的CA和CV大小來定義不同的反應(yīng)譜，比較中國和美國的相應(yīng)規(guī)范可以得出地震最大影響系數(shù)和CA與CV的關(guān)系：2.5CA=αmax，CV/Tg=αmax。多遇地震：CA= 0.048，CV=0.042；罕遇地震：CA=0.288，CV= 0.252。經(jīng)過Pushover計(jì)算分析，地震下結(jié)構(gòu)的性能點(diǎn)如表4所示。

表4 地震下結(jié)構(gòu)性能點(diǎn)Tab.4 Structure performance under earthquake

經(jīng)計(jì)算，多遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角為1/ 2204，小于規(guī)范所要求的1/550，所以符合要求；罕遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角為1/701，小于規(guī)范所要求的1/50，所以符合要求。

3.5 結(jié)構(gòu)塑性鉸的發(fā)展過程

為了研究結(jié)構(gòu)在地震作用下塑性鉸的發(fā)展過程，本文在結(jié)構(gòu)的Y方向施加10步水平荷載，每步荷載為300 kN，以模仿地震荷載。結(jié)構(gòu)上不同的塑性鉸代表了不同能力水平，塑性鉸（B）代表著結(jié)構(gòu)發(fā)生屈服，（IO）的塑性鉸對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)處于直接使用狀態(tài)，（LS）對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)處于生命安全狀態(tài)，（CP）對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)處于防止倒塌狀態(tài)，（C）對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載力狀態(tài)，（D）對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)還有一定的殘余強(qiáng)度，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞。塑性鉸數(shù)量變化如表5所示。其中在B階段之前塑性鉸為彈性變形，塑性鉸從B到破壞發(fā)生塑性變形。

表5 塑性鉸數(shù)量變化表Tab.5 Quantity change table of plastic hinge

對(duì)于結(jié)構(gòu)的A-D軸，結(jié)構(gòu)的塑性鉸首先出現(xiàn)在未加固的梁端，隨著外力的增加，結(jié)構(gòu)在加固的梁、柱兩端才漸漸出現(xiàn)塑性鉸。相對(duì)于A-D軸的塑性鉸，兩層結(jié)構(gòu)的D-F軸塑性鉸的發(fā)展要快許多，結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)在已進(jìn)行了加固處理但是截面尺寸較小的F軸上，且結(jié)構(gòu)破壞時(shí)A-D軸沒有達(dá)到其最大承載力，整個(gè)結(jié)構(gòu)在分析過程中未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌的塑性鉸。

同一框架的塑性鉸先出現(xiàn)在梁上，再出現(xiàn)在柱上，且結(jié)構(gòu)最先破壞的構(gòu)件也是梁，所以此結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)柱弱梁的要求。靜力彈塑性分析證明了錯(cuò)層結(jié)構(gòu)在進(jìn)行加固處理時(shí)也可采用局部加固的方法，但需要進(jìn)行加固后的整體分析計(jì)算。

4 結(jié)論

通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析中塑性鉸的發(fā)展過程可知，結(jié)構(gòu)在遭遇強(qiáng)震的破壞過程中塑性鉸最先出現(xiàn)在梁處，然后再出現(xiàn)在柱處，且在結(jié)構(gòu)破壞時(shí)梁先破壞，故結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)計(jì)中的“強(qiáng)柱弱梁”的要求。結(jié)構(gòu)不論在多遇地震還是在罕遇地震時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到性能點(diǎn)時(shí)的層間位移角均滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，說明結(jié)構(gòu)滿足抗震規(guī)范中“大震不倒”的要求。對(duì)于錯(cuò)層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)破壞首先發(fā)生在樓層高度較高的結(jié)構(gòu)，塑性鉸首先出現(xiàn)在進(jìn)行加固處理后的截面尺寸較小的構(gòu)件。錯(cuò)層結(jié)構(gòu)可以采用局部加固措施，但需要進(jìn)行加固后的整體分析計(jì)算，以確保結(jié)構(gòu)在后續(xù)使用過程中的安全可靠性。

［1］王建勛.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)［J］.山西建筑，2010，36（10）：70-71.

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Seismic performance analysis of plant after reinforcement

ZHANG Zhe1，LIU Hongbin1，GUAN Jian2
（1.School of Civil Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Central Research Institude of Building and Construction Co.，Ltd，MCC Group，Beijing 100088，China）

A chemical plant with concrete frame system and irregular staggered structure fell into disrepair and the structure has been damaged to varying degrees.In order to ensure the normal use of the plant，the detection，identification and reinforcement design of the plant is carried out.The static elastic-plastic analysis of reinforced buildings on frequent and rare earthquakes is carried out.The result shows that the structural design meets the requirements of the concept of"strong column and weak beam".It can be seen from the static elasticplastic analysis that the destruction occurs first in the reinforced beams with small sections.The local reinforcement design can be used onto the staggered structure，meanwhile to make the calculation to ensure the safety and reliability of the structure.

structure reinforcement；elasto-plastic analysis；seismic performance

September 29，2016）

TU313

A

1674-1048（2017）02-0138-05

10.13988/j.ustl.2017.02.011

2016-09-29。

張哲（1993—），女，遼寧鞍山人。

劉洪濱（1966—），女，遼寧鞍山人，教授。