李曉峰，李芳，尹兆巖

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 研究生學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

現(xiàn)役框架結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于住宅、公共建筑、多層工業(yè)廠房和一些特殊用途的建筑物。由于設(shè)計(jì)、施工、材料、環(huán)境影響等多方面的原因，難免有質(zhì)量缺陷，構(gòu)成安全隱患?？蚣芙Y(jié)構(gòu)由于荷載的長期作用、疲勞破壞以及所處的環(huán)境可能存在腐蝕作用，結(jié)構(gòu)建成十幾年后其抗力會(huì)隨時(shí)間而不斷降低等等，可靠性有所降低[1－2]。安全性是現(xiàn)役框架結(jié)構(gòu)最根本和最主要的目標(biāo)，尤其是在改擴(kuò)建工程中，因此，對(duì)現(xiàn)役框架結(jié)構(gòu)在改擴(kuò)建工程中的安全性進(jìn)行分析是極為重要的。

1 工程概況

本文采用的模型為某六層的化工車間，建筑總高約為30 m，底層層高為4.2m，其它樓層層高均為3.9m，Ⅱ類場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)使用年限為50年。原化工車間所用鋼材為HRB400，混凝土樓板強(qiáng)度等級(jí)為C30，樓板厚度150mm，墻身為粘土空心磚，用 M7.5混合砂漿砌筑，外墻為370mm厚，內(nèi)墻為240mm厚。內(nèi)粉刷為混合砂漿底，灰面厚20mm。柱截面尺寸值均為550mm×550mm。梁截面尺寸（mm）及各層混凝土強(qiáng)度等級(jí)見表1：

表1 梁截面尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)

原結(jié)構(gòu)建筑平面布置如圖1所示：

圖1 改建前的建筑平面圖

由于原化工車間已使用近20年，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕比較嚴(yán)重，其中混凝土的碳化、酥松、剝落及鋼筋的銹蝕，使截面有效承載力大大減小。為了使現(xiàn)有結(jié)構(gòu)更加安全可靠，需將原有車間進(jìn)行改建。將原結(jié)構(gòu)的5軸與B軸相交處加550＊550的鋼筋混凝土框架柱，將原結(jié)構(gòu)4～5軸與B軸及5～6軸與B軸相交處加300＊600的鋼筋混凝土框架梁，將原結(jié)構(gòu)A～B軸與5軸以及B～C軸與5軸相交處加250＊600的鋼筋混凝土框架梁，并添加混凝土樓板，樓板的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，厚度取150mm。墻身為粘土空心磚，用M7.5混合砂漿砌筑，外墻為370mm厚，內(nèi)墻為240mm厚。

改建后的結(jié)構(gòu)建筑平面布置如圖2所示：

圖2 改建后的建筑平面圖

2 數(shù)值模擬

根據(jù)工程具體概況，利用有限元SAP2000對(duì)原有結(jié)構(gòu)和改建結(jié)構(gòu)建立數(shù)值模擬分析模型，如圖：

圖3 改建前結(jié)構(gòu)有限元模型

圖4 改建后結(jié)構(gòu)有限元模型

3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

利用有限元SAP2000對(duì)原建筑與改建后的建筑分別進(jìn)行模態(tài)分析，振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析可以得到結(jié)構(gòu)物在某易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，進(jìn)而可以研究結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

3.1 自振周期

在計(jì)算地震力時(shí)，振型個(gè)數(shù)的選取應(yīng)遵循《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB5001—2001》，規(guī)定“振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%所需要的振型數(shù)”[3]。本文的振型數(shù)取3。

表2 兩結(jié)構(gòu)前三階自振周期

自振周期是用來衡量結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，結(jié)構(gòu)的自振周期越小，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就越好。由以上數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)改建后的自振周期略小于結(jié)構(gòu)改建前的自振周期，說明改建后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的提高，同時(shí)也改變了結(jié)構(gòu)自振周期長，整體性差，抗震能力低的不利狀況。

3.2 振型分析

振型是結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要?jiǎng)恿μ匦?，通過振型分解可以將多自由度體系的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為單自由度體系振動(dòng)的組合問題。利用振型分解原理對(duì)多自由度結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析時(shí)，振型的數(shù)量和各階振型對(duì)結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)的貢獻(xiàn)直接影響到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

改建前后前三階振型圖如下：

圖5 改建前前三階振型圖

從振型圖上可以明顯看出：第一階振型以Y方向振動(dòng)為主，第二階振型以X方向振動(dòng)為主，第三階振型以扭轉(zhuǎn)為主。

4 振動(dòng)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性分析

圖6 改建后前三階振型圖

通過輸入地震波來分析結(jié)構(gòu)的安全性，在選擇地震波時(shí)，一般優(yōu)先選取與建筑物所在場(chǎng)地的地質(zhì)環(huán)境相似的場(chǎng)地上獲得的實(shí)際地震記錄。此外，地震波的性質(zhì)還與建筑物場(chǎng)地所應(yīng)考慮的遠(yuǎn)震、近震情況相符合。遠(yuǎn)震場(chǎng)地相比于近震場(chǎng)地而言長周期成分要多一些。本文根據(jù)工程建設(shè)地的場(chǎng)地類別，選擇EL-Centro波，該波為1940年美國IMPERIAL山谷地震記錄，記錄長度為53.73s，最大加速度：NS方向341.7m／s2，EW 方向210.l m／s2，UD方向206.3m／s2，場(chǎng)地土類別屬n—m類，震級(jí)6.7級(jí)，震中距11.5km，屬于近震。

通過地震波的輸入，得到層間位移角如下表：

表3 兩結(jié)構(gòu)層間位移角

通過表中的數(shù)據(jù)，得到改建前后的層間位移角如下圖：

圖7 輸入EL Centro波作用下改建前和改建后的層間位移角圖（X方向）

圖8 輸入EL Centro波作用下改建前和改建后的層間位移角圖（Y方向）

綜上可知，在同一地震波作用下，結(jié)構(gòu)改建后的層間位移角小于結(jié)構(gòu)改建前的層間位移角，說明改建后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗震能力、整體性能等有一定提高，結(jié)構(gòu)安全性能有所完善。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)現(xiàn)役框架結(jié)構(gòu)在改擴(kuò)建工程中的安全性分析，利用有限元SAP2000對(duì)原有結(jié)構(gòu)和改建結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，通過現(xiàn)役框架結(jié)構(gòu)在改擴(kuò)建工程中的周期、層間位移的對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：

1）通過對(duì)原結(jié)構(gòu)與改建后的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行模態(tài)分析可得，改建后的結(jié)構(gòu)周期變短，穩(wěn)定性提高，安全性比改建前的結(jié)構(gòu)有所提高。

2）從結(jié)構(gòu)振動(dòng)的模態(tài)分析可知，改建后的結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要以前三階為主，且扭轉(zhuǎn)效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平動(dòng)效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計(jì)合理。

[1]張新培.建筑結(jié)構(gòu)可靠度分析與設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2001.6

[2]貢金鑫，仲偉秋，趙國藩.工程結(jié)構(gòu)可靠性基本理論的發(fā)展和應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002（3）：35～38.

[3]《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB5001一2001》[S].