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)重點實驗室 福建福州 350108)

1 工程概況

某筒倉構(gòu)筑物包含1號庫～6號庫共6個相同的二層現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)單元和上部成品鋼倉體，鋼筒倉規(guī)格為16m×H22m的利浦鋼板倉，設(shè)計貯料為水泥，單倉下部支承結(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。單倉平面為直徑16m的圓形布置，整體以3.0m的間距形成排倉；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)計地震分組為第一組，建筑場地類別：III類，特征周期為0.35s。風(fēng)荷載對應(yīng)的基本風(fēng)壓值為0.4kN/m2。由于上部倉體為鋼結(jié)構(gòu)成品，土建部分僅為倉下2層現(xiàn)澆鋼筋砼框架結(jié)構(gòu)，因此，抗震性能分析評估僅考慮鋼倉體其對下部土建結(jié)構(gòu)的影響，其倉體自身的安全性暫不談?wù)??？拐鹦阅芊治鲈u估前，對該構(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)筑物無嚴(yán)重靜載缺陷，現(xiàn)場檢查倉體附屬設(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。實測結(jié)構(gòu)最大測點傾斜率為0.0043，各單元所測測點傾斜方向及6個單元整體傾斜方向均無明顯一致性，不排除為施工偏差所導(dǎo)致。因此本文主要從抗震承載計算分析方面對該構(gòu)筑物倉下支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能評估。

圖1 筒倉外觀圖

圖2 標(biāo)高5.700m單倉平面圖

2 筒倉結(jié)構(gòu)建模分析

2.1 有限元分析模型

為考慮筒倉上部倉體對下部倉下支承結(jié)構(gòu)的影響，可采用三維有限元軟件進(jìn)行分析計算[1-3]。由于該排倉各單倉的結(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，鋼連廊一端與單倉體下支承結(jié)構(gòu)鉸接，另一端與相鄰倉體下支承結(jié)構(gòu)滑動平板連接，因此，計算時暫考慮其單倉結(jié)構(gòu)單獨進(jìn)行分析。

采用MIDAS/GEN有限元程序，建立了該筒倉完整的單倉模型，其中梁、柱構(gòu)件采用程序中的梁單元進(jìn)行模擬，倉壁、倉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)件和鋼倉體底板連接節(jié)點采用共同節(jié)點，并釋放轉(zhuǎn)動約束來模擬類鉸支連接。建立的單倉整體有限元模型如圖3所示。

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

圖3 MIDAS/GEN建立的筒倉整體有限元模型

2.2 荷載施加及材料參數(shù)

筒倉結(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)荷載對應(yīng)的基本風(fēng)壓取0.4kN/m2，體形系數(shù)取1.3。設(shè)計地震分組：第一組，場地類別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、板和柱混凝土強度等級均為C35，倉壁和倉頂均為Q235，厚度40mm。

2.3 計算結(jié)果及分析

2.3.1模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析結(jié)果詳見表1及圖4。由表1可知，倉體空倉和滿倉對結(jié)構(gòu)的動力特性影響很大，應(yīng)分別考慮空倉和滿倉兩種工況的荷載條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，尤其是在考慮地震作用時。

表1 單倉前三階振動周期及頻率

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

2.3.2抗震內(nèi)力及變形分析

筒倉空倉和滿倉內(nèi)力及變形MIDAS/GEN軟件抗震計算結(jié)果如圖5～圖7所示。由圖可知，筒倉貯料空倉和滿倉對地震作用影響巨大，二者變形及內(nèi)力計算結(jié)果相差2倍以上。因此，針對該筒倉應(yīng)考慮貯料滿倉情況下進(jìn)行倉下支承結(jié)構(gòu)的抗震計算。

圖5 筒倉空倉和滿倉變形計算結(jié)果

圖6 筒倉空倉和滿倉樓層基底剪力計算結(jié)果

圖7 筒倉空倉和滿倉樓層傾覆彎矩計算結(jié)果

2.3.3計算結(jié)果對比

將上部筒倉自重及滿倉貯料均作為荷載施加到倉下支承結(jié)構(gòu)，建立SATWE模型進(jìn)行倉下支承結(jié)構(gòu)的抗震計算分析，分析結(jié)果詳見表2。由表2可知，SATWE和MIDAS/GEN兩種有限元計算模型的周期和結(jié)構(gòu)的變形、樓層剪力和傾覆彎矩的計算結(jié)果均基本接近(計算結(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)件抗震承載力計算評估的準(zhǔn)確性提供了依據(jù)。

表2 有限元計算結(jié)果對比

2.4 倉下結(jié)構(gòu)抗震性能評估

根據(jù)該工程建成時間，其抗震性能按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50191-2012)[5]對C類構(gòu)筑物的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行評估，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)場檢查上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件未見明顯因基礎(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)實測結(jié)構(gòu)最大測點傾斜率為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)，各單元所測測點傾斜方向及6個單元整體傾斜方向均無明顯一致性。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)評為無明顯嚴(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)范對該倉下結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震措施鑒定，鑒定結(jié)果歸納匯總詳見表3。由表3可知，該筒倉下部支承結(jié)構(gòu)的抗震措施各項指標(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)以上抗震計算結(jié)果，并結(jié)合設(shè)計圖紙可知，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，該倉下支承結(jié)構(gòu)X向、Y向的最大彈性層間位移角計算值分別為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比了地震作用下倉下支承結(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算結(jié)果基本吻合。因此，針對該類型筒倉下支承結(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，上部倉體自重及貯料均作為荷載施加到倉下支承結(jié)構(gòu)，以簡化分析工作量，特別是單構(gòu)件抗震承載力驗算采用SATWE軟件更為簡便。

(2)筒倉貯料荷載對倉下支承結(jié)構(gòu)的地震作用影響很大，滿倉情況下的地震內(nèi)力為2倍以上空倉情況下的地震內(nèi)力，因此，抗震評估時應(yīng)考慮倉體滿倉下的不利情況。

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