構筑物下支承結構抗震性能評估

浦滬軍

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350108)

1 工程概況

某筒倉構筑物包含1號庫～6號庫共6個相同的二層現澆鋼筋砼框架結構單元和上部成品鋼倉體，鋼筒倉規格為16m×H22m的利浦鋼板倉，設計貯料為水泥，單倉下部支承結構為平面直徑16m、建筑高度9.7m 2層現澆鋼筋砼框架結構；基礎采用鉆孔灌注樁基礎，構筑物總高度為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；構筑物外立面如圖1所示，平面圖如圖2所示。結構的抗震設防烈度7度(0.10g)，設計地震分組為第一組，建筑場地類別：III類，特征周期為0.35s。風荷載對應的基本風壓值為0.4kN/m2。由于上部倉體為鋼結構成品，土建部分僅為倉下2層現澆鋼筋砼框架結構，因此，抗震性能分析評估僅考慮鋼倉體其對下部土建結構的影響，其倉體自身的安全性暫不談論。抗震性能分析評估前，對該構筑物靜力承載狀態檢查的結果表明，除(A)軸附近砼地面出現細微裂縫，局部輕微沉陷，以及部分框架梁構件因鋼筋保護層不足導致的箍筋外露、銹蝕現象外，該構筑物無嚴重靜載缺陷，現場檢查倉體附屬設施(各結構單元之間鋼連廊、爬梯)及圍護墻體，工作狀況基本正常。實測結構最大測點傾斜率為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致。因此本文主要從抗震承載計算分析方面對該構筑物倉下支承結構進行抗震性能評估。

圖1 筒倉外觀圖

圖2 標高5.700m單倉平面圖

2 筒倉結構建模分析

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構的影響，可采用三維有限元軟件進行分析計算[1-3]。由于該排倉各單倉的結構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構鉸接，另一端與相鄰倉體下支承結構滑動平板連接，因此，計算時暫考慮其單倉結構單獨進行分析。

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、柱構件采用程序中的梁單元進行模擬，倉壁、倉頂和樓板均采用板單元進行模擬，混凝土柱底固接，混凝土構件和鋼倉體底板連接節點采用共同節點，并釋放轉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構的計算模型，上部倉體僅考慮滿倉及空倉狀態按荷載參與計算，以和MIDAS/GEN有限元程序計算結果進行比較分析。

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

筒倉結構恒載有結構自重、其他構件和固定設備等，活載有貯料荷載、各種活荷載、雪荷載和風荷載等[4-5]。文中輸入的荷載，主要有結構自重及設備自重、貯料荷載、風荷載和地震作用。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；風荷載對應的基本風壓取0.4kN/m2，體形系數取1.3。設計地震分組：第一組，場地類別III類，設防烈度為7度(0.10g)，根據《建筑工程抗震設防分類標準》(GB 50223)的相關規定，其抗震設防類別劃分為標準設防類。

材料參數：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 計算結果及分析

2.3.1模態分析結果

模態分析結果詳見表1及圖4。由表1可知，倉體空倉和滿倉對結構的動力特性影響很大，應分別考慮空倉和滿倉兩種工況的荷載條件，進行結構計算，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)三階轉動T3=0.500s

2.3.2抗震內力及變形分析

筒倉空倉和滿倉內力及變形MIDAS/GEN軟件抗震計算結果如圖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，二者變形及內力計算結果相差2倍以上。因此，針對該筒倉應考慮貯料滿倉情況下進行倉下支承結構的抗震計算。

圖5 筒倉空倉和滿倉變形計算結果

圖6 筒倉空倉和滿倉樓層基底剪力計算結果

圖7 筒倉空倉和滿倉樓層傾覆彎矩計算結果

2.3.3計算結果對比

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構，建立SATWE模型進行倉下支承結構的抗震計算分析，分析結果詳見表2。由表2可知，SATWE和MIDAS/GEN兩種有限元計算模型的周期和結構的變形、樓層剪力和傾覆彎矩的計算結果均基本接近(計算結果偏差在10%以內)，從而為下一步直接采用SATWE軟件進行單構件抗震承載力計算評估的準確性提供了依據。

表2 有限元計算結果對比

2.4 倉下結構抗震性能評估

根據該工程建成時間，其抗震性能按現行國家標準《構筑物抗震設計規范》(GB50191-2012)[5]對C類構筑物的相關規定進行評估，后續使用年限按50年考慮。

2.4.1地基基礎

該工程設計采用鉆孔灌注樁基礎，樁基持力層為中風化花崗巖層。現場檢查上部結構構件未見明顯因基礎不均勻沉降引起的裂縫，(A)軸附近砼地面局部沉陷，部分砼地面出現細微裂縫(裂縫寬度<2mm)實測結構最大測點傾斜率為0.0043，滿足《工業建筑可靠性鑒定標準》(GB50144-2008)[6]第9.3.7條規定的鋼筋混凝土框架結構的倉體與支承結構不適于繼續承載的整體側移標準，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。根據地面裂縫分布及形態分析，現狀地面局部沉陷、開裂應為室外地坪回填土固結沉陷及車輛重載碾壓所致，地基基礎評為無明顯嚴重靜載缺陷，可不進行地基基礎的抗震鑒定。

2.4.2上部承重結構抗震措施鑒定

根據規范對該倉下結構進行抗震措施鑒定，鑒定結果歸納匯總詳見表3。由表3可知，該筒倉下部支承結構的抗震措施各項指標均可滿足相關規范要求。

表3 抗震措施鑒定結果匯總表

2.4.3上部承重結構抗震承載力鑒定

根據以上抗震計算結果，并結合設計圖紙可知，該工程框架柱、梁抗震承載能力均可滿足規范要求；在多遇地震作用下，該倉下支承結構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準的要求。

3 結論

本文主要結論如下：

(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構的內力及變形，兩種模型在多遇地震作用下整體計算結果基本吻合。因此，針對該類型筒倉下支承結構的抗震鑒定，可采用SATWE軟件建立其下部支承結構的模型，上部倉體自重及貯料均作為荷載施加到倉下支承結構，以簡化分析工作量，特別是單構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構的地震作用影響很大，滿倉情況下的地震內力為2倍以上空倉情況下的地震內力，因此，抗震評估時應考慮倉體滿倉下的不利情況。

(3)歸納了抗震措施鑒定的內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。