构筑物下支承结构抗震性能评估

浦沪军

(福建省建筑科学研究院有限责任公司 福建省绿色建筑技术重点实验室 福建福州 350108)

1 工程概况

某筒仓构筑物包含1号库～6号库共6个相同的二层现浇钢筋砼框架结构单元和上部成品钢仓体，钢筒仓规格为16m×H22m的利浦钢板仓，设计贮料为水泥，单仓下部支承结构为平面直径16m、建筑高度9.7m 2层现浇钢筋砼框架结构；基础采用钻孔灌注桩基础，构筑物总高度为31.70m，于2014年建成并投入使用。单仓平面为直径16m的圆形布置，整体以3.0m的间距形成排仓；构筑物外立面如图1所示，平面图如图2所示。结构的抗震设防烈度7度(0.10g)，设计地震分组为第一组，建筑场地类别：III类，特征周期为0.35s。风荷载对应的基本风压值为0.4kN/m2。由于上部仓体为钢结构成品，土建部分仅为仓下2层现浇钢筋砼框架结构，因此，抗震性能分析评估仅考虑钢仓体其对下部土建结构的影响，其仓体自身的安全性暂不谈论。抗震性能分析评估前，对该构筑物静力承载状态检查的结果表明，除(A)轴附近砼地面出现细微裂缝，局部轻微沉陷，以及部分框架梁构件因钢筋保护层不足导致的箍筋外露、锈蚀现象外，该构筑物无严重静载缺陷，现场检查仓体附属设施(各结构单元之间钢连廊、爬梯)及围护墙体，工作状况基本正常。实测结构最大测点倾斜率为0.0043，各单元所测测点倾斜方向及6个单元整体倾斜方向均无明显一致性，不排除为施工偏差所导致。因此本文主要从抗震承载计算分析方面对该构筑物仓下支承结构进行抗震性能评估。

图1 筒仓外观图

图2 标高5.700m单仓平面图

2 筒仓结构建模分析

2.1 有限元分析模型

为考虑筒仓上部仓体对下部仓下支承结构的影响，可采用三维有限元软件进行分析计算[1-3]。由于该排仓各单仓的结构型式和荷载均完全一致，且相互连接方式采用钢连廊，钢连廊一端与单仓体下支承结构铰接，另一端与相邻仓体下支承结构滑动平板连接，因此，计算时暂考虑其单仓结构单独进行分析。

采用MIDAS/GEN有限元程序，建立了该筒仓完整的单仓模型，其中梁、柱构件采用程序中的梁单元进行模拟，仓壁、仓顶和楼板均采用板单元进行模拟，混凝土柱底固接，混凝土构件和钢仓体底板连接节点采用共同节点，并释放转动约束来模拟类铰支连接。建立的单仓整体有限元模型如图3所示。

此外，采用SATWE软件单独建立了仓下支承结构的计算模型，上部仓体仅考虑满仓及空仓状态按荷载参与计算，以和MIDAS/GEN有限元程序计算结果进行比较分析。

图3 MIDAS/GEN建立的筒仓整体有限元模型

2.2 荷载施加及材料参数

筒仓结构恒载有结构自重、其他构件和固定设备等，活载有贮料荷载、各种活荷载、雪荷载和风荷载等[4-5]。文中输入的荷载，主要有结构自重及设备自重、贮料荷载、风荷载和地震作用。具体取值如下：

板恒载：二层楼面装修荷载取2.0kN/m2，三层楼面装修荷载取0.5kN/m2；楼面活荷载取2.0kN/m2，屋面活荷载取0.5kN/m2，贮料容重γ取14.5kN/m3，梁上线荷载取6.5kN/m；风荷载对应的基本风压取0.4kN/m2，体形系数取1.3。设计地震分组：第一组，场地类别III类，设防烈度为7度(0.10g)，根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223)的相关规定，其抗震设防类别划分为标准设防类。

材料参数：梁、板和柱混凝土强度等级均为C35，仓壁和仓顶均为Q235，厚度40mm。

2.3 计算结果及分析

2.3.1模态分析结果

模态分析结果详见表1及图4。由表1可知，仓体空仓和满仓对结构的动力特性影响很大，应分别考虑空仓和满仓两种工况的荷载条件，进行结构计算，尤其是在考虑地震作用时。

表1 单仓前三阶振动周期及频率

(a)一阶平动T1=0.621s (b)二阶平动T2=0.621s (c)三阶转动T3=0.500s

2.3.2抗震内力及变形分析

筒仓空仓和满仓内力及变形MIDAS/GEN软件抗震计算结果如图5～图7所示。由图可知，筒仓贮料空仓和满仓对地震作用影响巨大，二者变形及内力计算结果相差2倍以上。因此，针对该筒仓应考虑贮料满仓情况下进行仓下支承结构的抗震计算。

图5 筒仓空仓和满仓变形计算结果

图6 筒仓空仓和满仓楼层基底剪力计算结果

图7 筒仓空仓和满仓楼层倾覆弯矩计算结果

2.3.3计算结果对比

将上部筒仓自重及满仓贮料均作为荷载施加到仓下支承结构，建立SATWE模型进行仓下支承结构的抗震计算分析，分析结果详见表2。由表2可知，SATWE和MIDAS/GEN两种有限元计算模型的周期和结构的变形、楼层剪力和倾覆弯矩的计算结果均基本接近(计算结果偏差在10%以内)，从而为下一步直接采用SATWE软件进行单构件抗震承载力计算评估的准确性提供了依据。

表2 有限元计算结果对比

2.4 仓下结构抗震性能评估

根据该工程建成时间，其抗震性能按现行国家标准《构筑物抗震设计规范》(GB50191-2012)[5]对C类构筑物的相关规定进行评估，后续使用年限按50年考虑。

2.4.1地基基础

该工程设计采用钻孔灌注桩基础，桩基持力层为中风化花岗岩层。现场检查上部结构构件未见明显因基础不均匀沉降引起的裂缝，(A)轴附近砼地面局部沉陷，部分砼地面出现细微裂缝(裂缝宽度<2mm)实测结构最大测点倾斜率为0.0043，满足《工业建筑可靠性鉴定标准》(GB50144-2008)[6]第9.3.7条规定的钢筋混凝土框架结构的仓体与支承结构不适于继续承载的整体侧移标准，各单元所测测点倾斜方向及6个单元整体倾斜方向均无明显一致性。根据地面裂缝分布及形态分析，现状地面局部沉陷、开裂应为室外地坪回填土固结沉陷及车辆重载碾压所致，地基基础评为无明显严重静载缺陷，可不进行地基基础的抗震鉴定。

2.4.2上部承重结构抗震措施鉴定

根据规范对该仓下结构进行抗震措施鉴定，鉴定结果归纳汇总详见表3。由表3可知，该筒仓下部支承结构的抗震措施各项指标均可满足相关规范要求。

表3 抗震措施鉴定结果汇总表

2.4.3上部承重结构抗震承载力鉴定

根据以上抗震计算结果，并结合设计图纸可知，该工程框架柱、梁抗震承载能力均可满足规范要求；在多遇地震作用下，该仓下支承结构X向、Y向的最大弹性层间位移角计算值分别为1/3433与1/1386，均可满足规范要求。

综上所述，该工程评为综合抗震能力可满足抗震鉴定标准的要求。

3 结论

本文主要结论如下：

(1)采用不同有限元软件分析对比了地震作用下仓下支承结构的内力及变形，两种模型在多遇地震作用下整体计算结果基本吻合。因此，针对该类型筒仓下支承结构的抗震鉴定，可采用SATWE软件建立其下部支承结构的模型，上部仓体自重及贮料均作为荷载施加到仓下支承结构，以简化分析工作量，特别是单构件抗震承载力验算采用SATWE软件更为简便。

(2)筒仓贮料荷载对仓下支承结构的地震作用影响很大，满仓情况下的地震内力为2倍以上空仓情况下的地震内力，因此，抗震评估时应考虑仓体满仓下的不利情况。

(3)归纳了抗震措施鉴定的内容以及抗震承载力的计算方法，可为其它类似工程提供参考。