现役框架结构在改扩建工程中的安全性分析

2012-11-14李晓峰李芳尹兆岩

土木与环境工程学报 2012年2期

李晓峰，李芳，尹兆岩

（辽宁工程技术大学研究生学院，辽宁阜新 123000）

现役框架结构被广泛应用于住宅、公共建筑、多层工业厂房和一些特殊用途的建筑物。由于设计、施工、材料、环境影响等多方面的原因，难免有质量缺陷，构成安全隐患。框架结构由于荷载的长期作用、疲劳破坏以及所处的环境可能存在腐蚀作用，结构建成十几年后其抗力会随时间而不断降低等等，可靠性有所降低[1－2]。安全性是现役框架结构最根本和最主要的目标，尤其是在改扩建工程中，因此，对现役框架结构在改扩建工程中的安全性进行分析是极为重要的。

1 工程概况

本文采用的模型为某六层的化工车间，建筑总高约为30 m，底层层高为4.2m，其它楼层层高均为3.9m，Ⅱ类场地，抗震设防烈度为7度，设计使用年限为50年。原化工车间所用钢材为HRB400，混凝土楼板强度等级为C30，楼板厚度150mm，墙身为粘土空心砖，用 M7.5混合砂浆砌筑，外墙为370mm厚，内墙为240mm厚。内粉刷为混合砂浆底，灰面厚20mm。柱截面尺寸值均为550mm×550mm。梁截面尺寸（mm）及各层混凝土强度等级见表1：

表1 梁截面尺寸及混凝土强度等级

原结构建筑平面布置如图1所示：

图1 改建前的建筑平面图

由于原化工车间已使用近20年，钢筋混凝土结构腐蚀比较严重，其中混凝土的碳化、酥松、剥落及钢筋的锈蚀，使截面有效承载力大大减小。为了使现有结构更加安全可靠，需将原有车间进行改建。将原结构的5轴与B轴相交处加550＊550的钢筋混凝土框架柱，将原结构4～5轴与B轴及5～6轴与B轴相交处加300＊600的钢筋混凝土框架梁，将原结构A～B轴与5轴以及B～C轴与5轴相交处加250＊600的钢筋混凝土框架梁，并添加混凝土楼板，楼板的混凝土强度等级为C30，厚度取150mm。墙身为粘土空心砖，用M7.5混合砂浆砌筑，外墙为370mm厚，内墙为240mm厚。

改建后的结构建筑平面布置如图2所示：

图2 改建后的建筑平面图

2 数值模拟

根据工程具体概况，利用有限元SAP2000对原有结构和改建结构建立数值模拟分析模型，如图：

图3 改建前结构有限元模型

图4 改建后结构有限元模型

3 结构模态分析

利用有限元SAP2000对原建筑与改建后的建筑分别进行模态分析，振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析可以得到结构物在某易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，进而可以研究结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计的基础。

3.1 自振周期

在计算地震力时，振型个数的选取应遵循《建筑抗震设计规范GB5001—2001》，规定“振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量的90%所需要的振型数”[3]。本文的振型数取3。

表2 两结构前三阶自振周期

自振周期是用来衡量结构稳定性的重要指标，结构的自振周期越小，其结构的稳定性就越好。由以上数据可知，结构改建后的自振周期略小于结构改建前的自振周期，说明改建后结构的稳定性有一定的提高，同时也改变了结构自振周期长，整体性差，抗震能力低的不利状况。

3.2 振型分析

振型是结构的一个重要动力特性，通过振型分解可以将多自由度体系的振动转化为单自由度体系振动的组合问题。利用振型分解原理对多自由度结构体系进行分析时，振型的数量和各阶振型对结构总体反应的贡献直接影响到结构地震反应的计算结果。

改建前后前三阶振型图如下：

图5 改建前前三阶振型图

从振型图上可以明显看出：第一阶振型以Y方向振动为主，第二阶振型以X方向振动为主，第三阶振型以扭转为主。

4 振动荷载作用下结构安全性分析

图6 改建后前三阶振型图

通过输入地震波来分析结构的安全性，在选择地震波时，一般优先选取与建筑物所在场地的地质环境相似的场地上获得的实际地震记录。此外，地震波的性质还与建筑物场地所应考虑的远震、近震情况相符合。远震场地相比于近震场地而言长周期成分要多一些。本文根据工程建设地的场地类别，选择EL-Centro波，该波为1940年美国IMPERIAL山谷地震记录，记录长度为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，场地土类别属n—m类，震级6.7级，震中距11.5km，属于近震。

通过地震波的输入，得到层间位移角如下表：