構(gòu)筑物下支承結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估

浦滬軍

(福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350108)

1 工程概況

某筒倉(cāng)構(gòu)筑物包含1號(hào)庫(kù)～6號(hào)庫(kù)共6個(gè)相同的二層現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)單元和上部成品鋼倉(cāng)體，鋼筒倉(cāng)規(guī)格為16m×H22m的利浦鋼板倉(cāng)，設(shè)計(jì)貯料為水泥，單倉(cāng)下部支承結(jié)構(gòu)為平面直徑16m、建筑高度9.7m 2層現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，構(gòu)筑物總高度為31.70m，于2014年建成并投入使用。單倉(cāng)平面為直徑16m的圓形布置，整體以3.0m的間距形成排倉(cāng)；構(gòu)筑物外立面如圖1所示，平面圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別：III類，特征周期為0.35s。風(fēng)荷載對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓值為0.4kN/m2。由于上部倉(cāng)體為鋼結(jié)構(gòu)成品，土建部分僅為倉(cāng)下2層現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，因此，抗震性能分析評(píng)估僅考慮鋼倉(cāng)體其對(duì)下部土建結(jié)構(gòu)的影響，其倉(cāng)體自身的安全性暫不談?wù)?。抗震性能分析評(píng)估前，對(duì)該構(gòu)筑物靜力承載狀態(tài)檢查的結(jié)果表明，除(A)軸附近砼地面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，局部輕微沉陷，以及部分框架梁構(gòu)件因鋼筋保護(hù)層不足導(dǎo)致的箍筋外露、銹蝕現(xiàn)象外，該構(gòu)筑物無(wú)嚴(yán)重靜載缺陷，現(xiàn)場(chǎng)檢查倉(cāng)體附屬設(shè)施(各結(jié)構(gòu)單元之間鋼連廊、爬梯)及圍護(hù)墻體，工作狀況基本正常。實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)最大測(cè)點(diǎn)傾斜率為0.0043，各單元所測(cè)測(cè)點(diǎn)傾斜方向及6個(gè)單元整體傾斜方向均無(wú)明顯一致性，不排除為施工偏差所導(dǎo)致。因此本文主要從抗震承載計(jì)算分析方面對(duì)該構(gòu)筑物倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評(píng)估。

圖1 筒倉(cāng)外觀圖

圖2 標(biāo)高5.700m單倉(cāng)平面圖

2 筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)建模分析

2.1 有限元分析模型

為考慮筒倉(cāng)上部倉(cāng)體對(duì)下部倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的影響，可采用三維有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算[1-3]。由于該排倉(cāng)各單倉(cāng)的結(jié)構(gòu)型式和荷載均完全一致，且相互連接方式采用鋼連廊，鋼連廊一端與單倉(cāng)體下支承結(jié)構(gòu)鉸接，另一端與相鄰倉(cāng)體下支承結(jié)構(gòu)滑動(dòng)平板連接，因此，計(jì)算時(shí)暫考慮其單倉(cāng)結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行分析。

采用MIDAS/GEN有限元程序，建立了該筒倉(cāng)完整的單倉(cāng)模型，其中梁、柱構(gòu)件采用程序中的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，倉(cāng)壁、倉(cāng)頂和樓板均采用板單元進(jìn)行模擬，混凝土柱底固接，混凝土構(gòu)件和鋼倉(cāng)體底板連接節(jié)點(diǎn)采用共同節(jié)點(diǎn)，并釋放轉(zhuǎn)動(dòng)約束來(lái)模擬類鉸支連接。建立的單倉(cāng)整體有限元模型如圖3所示。

此外，采用SATWE軟件單獨(dú)建立了倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，上部倉(cāng)體僅考慮滿倉(cāng)及空倉(cāng)狀態(tài)按荷載參與計(jì)算，以和MIDAS/GEN有限元程序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。

圖3 MIDAS/GEN建立的筒倉(cāng)整體有限元模型

2.2 荷載施加及材料參數(shù)

筒倉(cāng)結(jié)構(gòu)恒載有結(jié)構(gòu)自重、其他構(gòu)件和固定設(shè)備等，活載有貯料荷載、各種活荷載、雪荷載和風(fēng)荷載等[4-5]。文中輸入的荷載，主要有結(jié)構(gòu)自重及設(shè)備自重、貯料荷載、風(fēng)荷載和地震作用。具體取值如下：

板恒載：二層樓面裝修荷載取2.0kN/m2，三層樓面裝修荷載取0.5kN/m2；樓面活荷載取2.0kN/m2，屋面活荷載取0.5kN/m2，貯料容重γ取14.5kN/m3，梁上線荷載取6.5kN/m；風(fēng)荷載對(duì)應(yīng)的基本風(fēng)壓取0.4kN/m2，體形系數(shù)取1.3。設(shè)計(jì)地震分組：第一組，場(chǎng)地類別III類，設(shè)防烈度為7度(0.10g)，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50223)的相關(guān)規(guī)定，其抗震設(shè)防類別劃分為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。

材料參數(shù)：梁、板和柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C35，倉(cāng)壁和倉(cāng)頂均為Q235，厚度40mm。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果詳見(jiàn)表1及圖4。由表1可知，倉(cāng)體空倉(cāng)和滿倉(cāng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性影響很大，應(yīng)分別考慮空倉(cāng)和滿倉(cāng)兩種工況的荷載條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，尤其是在考慮地震作用時(shí)。

表1 單倉(cāng)前三階振動(dòng)周期及頻率

(a)一階平動(dòng)T1=0.621s (b)二階平動(dòng)T2=0.621s (c)三階轉(zhuǎn)動(dòng)T3=0.500s

2.3.2抗震內(nèi)力及變形分析

筒倉(cāng)空倉(cāng)和滿倉(cāng)內(nèi)力及變形MIDAS/GEN軟件抗震計(jì)算結(jié)果如圖5～圖7所示。由圖可知，筒倉(cāng)貯料空倉(cāng)和滿倉(cāng)對(duì)地震作用影響巨大，二者變形及內(nèi)力計(jì)算結(jié)果相差2倍以上。因此，針對(duì)該筒倉(cāng)應(yīng)考慮貯料滿倉(cāng)情況下進(jìn)行倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算。

圖5 筒倉(cāng)空倉(cāng)和滿倉(cāng)變形計(jì)算結(jié)果

圖6 筒倉(cāng)空倉(cāng)和滿倉(cāng)樓層基底剪力計(jì)算結(jié)果

圖7 筒倉(cāng)空倉(cāng)和滿倉(cāng)樓層傾覆彎矩計(jì)算結(jié)果

2.3.3計(jì)算結(jié)果對(duì)比

將上部筒倉(cāng)自重及滿倉(cāng)貯料均作為荷載施加到倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)，建立SATWE模型進(jìn)行倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算分析，分析結(jié)果詳見(jiàn)表2。由表2可知，SATWE和MIDAS/GEN兩種有限元計(jì)算模型的周期和結(jié)構(gòu)的變形、樓層剪力和傾覆彎矩的計(jì)算結(jié)果均基本接近(計(jì)算結(jié)果偏差在10%以內(nèi))，從而為下一步直接采用SATWE軟件進(jìn)行單構(gòu)件抗震承載力計(jì)算評(píng)估的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

表2 有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比

2.4 倉(cāng)下結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估

根據(jù)該工程建成時(shí)間，其抗震性能按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50191-2012)[5]對(duì)C類構(gòu)筑物的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行評(píng)估，后續(xù)使用年限按50年考慮。

2.4.1地基基礎(chǔ)

該工程設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁基持力層為中風(fēng)化花崗巖層?，F(xiàn)場(chǎng)檢查上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件未見(jiàn)明顯因基礎(chǔ)不均勻沉降引起的裂縫，(A)軸附近砼地面局部沉陷，部分砼地面出現(xiàn)細(xì)微裂縫(裂縫寬度<2mm)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)最大測(cè)點(diǎn)傾斜率為0.0043，滿足《工業(yè)建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50144-2008)[6]第9.3.7條規(guī)定的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的倉(cāng)體與支承結(jié)構(gòu)不適于繼續(xù)承載的整體側(cè)移標(biāo)準(zhǔn)，各單元所測(cè)測(cè)點(diǎn)傾斜方向及6個(gè)單元整體傾斜方向均無(wú)明顯一致性。根據(jù)地面裂縫分布及形態(tài)分析，現(xiàn)狀地面局部沉陷、開(kāi)裂應(yīng)為室外地坪回填土固結(jié)沉陷及車輛重載碾壓所致，地基基礎(chǔ)評(píng)為無(wú)明顯嚴(yán)重靜載缺陷，可不進(jìn)行地基基礎(chǔ)的抗震鑒定。

2.4.2上部承重結(jié)構(gòu)抗震措施鑒定

根據(jù)規(guī)范對(duì)該倉(cāng)下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震措施鑒定，鑒定結(jié)果歸納匯總詳見(jiàn)表3。由表3可知，該筒倉(cāng)下部支承結(jié)構(gòu)的抗震措施各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表3 抗震措施鑒定結(jié)果匯總表

2.4.3上部承重結(jié)構(gòu)抗震承載力鑒定

根據(jù)以上抗震計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙可知，該工程框架柱、梁抗震承載能力均可滿足規(guī)范要求；在多遇地震作用下，該倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大彈性層間位移角計(jì)算值分別為1/3433與1/1386，均可滿足規(guī)范要求。

綜上所述，該工程評(píng)為綜合抗震能力可滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下：

(1)采用不同有限元軟件分析對(duì)比了地震作用下倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形，兩種模型在多遇地震作用下整體計(jì)算結(jié)果基本吻合。因此，針對(duì)該類型筒倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的抗震鑒定，可采用SATWE軟件建立其下部支承結(jié)構(gòu)的模型，上部倉(cāng)體自重及貯料均作為荷載施加到倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化分析工作量，特別是單構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算采用SATWE軟件更為簡(jiǎn)便。

(2)筒倉(cāng)貯料荷載對(duì)倉(cāng)下支承結(jié)構(gòu)的地震作用影響很大，滿倉(cāng)情況下的地震內(nèi)力為2倍以上空倉(cāng)情況下的地震內(nèi)力，因此，抗震評(píng)估時(shí)應(yīng)考慮倉(cāng)體滿倉(cāng)下的不利情況。

(3)歸納了抗震措施鑒定的內(nèi)容以及抗震承載力的計(jì)算方法，可為其它類似工程提供參考。