基于受損的某單層輕鋼廠房抗震性能分析★

叢 宇 鐘 燕

(1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010)

0 引言

因輕鋼結(jié)構(gòu)廠房施工快速，在20世紀(jì)90年代后大量建設(shè)了此種建筑，由于廠房使用時(shí)已接近設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，因此現(xiàn)役廠房大多有不同程度損傷，諸如構(gòu)件銹蝕、變形及構(gòu)件損壞等，但拆除會(huì)造成資源浪費(fèi)。對(duì)于這些帶有損傷的廠房結(jié)構(gòu)，某些柱底部部分破壞導(dǎo)致約束減弱，會(huì)降低結(jié)構(gòu)抗側(cè)能力，但結(jié)構(gòu)未必會(huì)在發(fā)生地震時(shí)發(fā)生連續(xù)性倒塌，評(píng)估其抗震性能至關(guān)重要[1-3]。實(shí)踐證明針對(duì)這些廠房，精確計(jì)算不同損傷后結(jié)構(gòu)抗震能力[4]，針對(duì)性提出加固方案，能夠提高結(jié)構(gòu)安全可靠的同時(shí)做到經(jīng)濟(jì)合理。

雖然單層輕鋼結(jié)構(gòu)廠房自重較輕，未受損傷情況下抗震性能好[5,6]。目前國(guó)內(nèi)通用的抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[7]中沒(méi)有關(guān)于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房的鑒定內(nèi)容，抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)適用于單層鋼筋混凝土柱廠房，不適用于單層鋼結(jié)構(gòu)廠房。在柱底約束部分失效的情形下地震作用仍會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，但在相同作用條件下柱底的失效情況不同也會(huì)引起結(jié)構(gòu)的不同倒塌程度和連續(xù)倒塌概率。因此對(duì)其進(jìn)行抗震性能評(píng)估，施加適當(dāng)?shù)募庸檀胧?，減輕倒塌程度，降低因柱底失效引起連續(xù)倒塌的概率，并形成方法至關(guān)重要。

以柱底部有損傷破壞的某農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)單層鋼結(jié)構(gòu)廠房為研究對(duì)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查看測(cè)量，應(yīng)用有限元軟件SAP2000對(duì)損傷廠房建立數(shù)值分析模型，進(jìn)行抗震能力計(jì)算，并開展結(jié)構(gòu)加固后的抗震性能分析，獲得加固后結(jié)構(gòu)抗震性能，評(píng)估其在地震發(fā)生時(shí)的安全可靠性，為此類廠房的損傷評(píng)定及加固方案設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 模型建立

以廠房柱底損壞實(shí)際，通過(guò)改變柱底約束情況來(lái)實(shí)現(xiàn)不同損傷數(shù)量、不同損傷狀況的諸多工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的綜合判斷，給出是否需要加固及加固方案的可行性。廠房長(zhǎng)60 m，寬18 m，柱距6 m，柱高10 m，屋脊高12 m(見圖1a))。柱截面為φ200×5 mm，橫梁為桁架結(jié)構(gòu)，下弦截面為φ50×3 mm，支桿截面為φ30×3 mm，檁條采用槽鋼200 mm×50 mm×10 mm×3 mm，屋頂斜撐截面為φ30×3 mm，屋面采用1 mm厚彩鋼板，柱底損傷照片(見圖1b),圖1c))，鋼材均為Q345B型結(jié)構(gòu)鋼，本構(gòu)曲線如圖2所示，廠房檐口細(xì)部構(gòu)造及整體建模如圖3所示。

屋頂恒載0.25 kN/m2，活載0.3 kN/m2，通過(guò)質(zhì)量元的方式施加到結(jié)構(gòu)上。梁柱節(jié)點(diǎn)采用鉸接方式，柱和橫梁連接處布置塑性鉸，利用塑性鉸假定描述構(gòu)件非線性關(guān)系，在構(gòu)件端部剛性區(qū)域各有一個(gè)塑性鉸(見圖4)。塑性鉸之間區(qū)域假定為線性，塑性鉸定義符合FEMA356規(guī)定：柱構(gòu)件定義為P-M2-M3塑性鉸，梁定義為M3塑性鉸，梁柱塑性鉸控制參數(shù)，如圖5所示。

將柱底約束為固接，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前三階周期為T1=3.27 s，T2=3.26 s，T3=2.96 s，前三階振型分別為沿X軸的平移、沿Y軸的平移、繞Z軸的扭轉(zhuǎn)，如圖6所示。

輸入的地震波為EL-Centro波時(shí)，加速度峰值取341.7 cm/s2，持續(xù)時(shí)間30 s，時(shí)程曲線見圖8。輸入地震強(qiáng)度為7度罕遇，施加到X,Y兩個(gè)方向。計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，考慮水平作用下結(jié)構(gòu)P—Δ二階效應(yīng)，采用威爾遜直接積分法計(jì)算。由表1加速度峰值和EL-Centro波加速度峰值可得7度罕遇地震比例系數(shù)為0.645。

表1 地震加速度時(shí)程的最大值 cm/s2

2 受損結(jié)構(gòu)抗震性能分析

圖9為工況1～工況4時(shí)柱頂X向位移時(shí)程，當(dāng)柱腳全部為固支時(shí)，位移峰值是105.37 mm，隨柱腳簡(jiǎn)支由中間向外部增多，位移逐漸變大，但增幅較小，到工況4時(shí)，位移突然劇增，峰值變?yōu)?46.96 mm，雖則此時(shí)梁柱尚未出現(xiàn)塑性鉸，但柱頂部的側(cè)移已超過(guò)門式剛架設(shè)計(jì)規(guī)范[8]規(guī)定的限值h/60，即為柱高10 m，10 000/60=166.67 mm，整個(gè)廠房結(jié)構(gòu)會(huì)有倒塌的危險(xiǎn)。尤其是部分柱底部有損傷的情況下，會(huì)使得廠房有連續(xù)倒塌破壞的危險(xiǎn)，基于此應(yīng)對(duì)柱進(jìn)行加固，或采用諸如增設(shè)柱間斜向支撐方式，改變結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成，提高整體結(jié)構(gòu)抗外載破壞的能力。工況1～工況4位移峰值見表2。

工況5時(shí)，當(dāng)施加到6.6 s時(shí)，第一個(gè)塑性鉸出現(xiàn)在邊柱底，此時(shí)該鉸變形進(jìn)入強(qiáng)化階段，6.7 s時(shí)另一邊邊柱柱腳也出現(xiàn)塑性鉸，7.9 s時(shí)塑性鉸變形增大，隨構(gòu)件內(nèi)部殘余變形不斷積累，到8.3 s一邊的邊柱柱腳塑性鉸變形達(dá)到極限變形，隨后其余柱塑性鉸不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)柱頂位移無(wú)限增大，表明結(jié)構(gòu)已破壞，其塑性鉸發(fā)展及柱頂位移變化如圖10所示。

表2 工況1～工況4位移峰值 mm

工況6的塑性鉸發(fā)展情況如圖11a)所示，隨著地震作用增大，柱子塑性鉸由中間外向擴(kuò)展，到9.8 s時(shí)，大部分柱頂達(dá)到極限變形，結(jié)構(gòu)破壞，柱頂位移變化如圖11b)所示。

工況7中，地震波作用下邊柱柱頂X向位移峰值為117.09 mm，中間柱由于柱腳沒(méi)有約束，在Z軸方向產(chǎn)生較大振動(dòng)，位移峰值達(dá)到230.52 mm，但結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)塑性鉸。工況8時(shí)，當(dāng)施加荷載后，由于較多柱腳未約束，在豎向荷載下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形引起柱P—Δ二階效應(yīng)，部分柱底出現(xiàn)塑性鉸，隨變形增大，塑性鉸不斷發(fā)展，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞(見圖12)。因此在工況8時(shí)，結(jié)構(gòu)已不能承受豎向荷載，工況9破壞模式類似，在豎向承載能力上不滿足承載要求。

結(jié)構(gòu)Y向位移變化情況同X向基本一致，由于工況8，工況9不滿足承載能力要求，而工況2～工況7能滿足抗震性能設(shè)計(jì)要求，且這些工況柱腳不全為固結(jié)，因此對(duì)這六種工況進(jìn)行加固計(jì)算，加固方式為增加斜撐，斜撐采用等邊角鋼L100×10，布置在結(jié)構(gòu)縱向和橫向外側(cè)，斜撐與梁柱節(jié)點(diǎn)間采用鉸接方式，支撐在荷載作用下僅承受軸力作用，如圖13所示。

3 加固后結(jié)構(gòu)抗震性能分析

采用貼焊圓鋼管方式對(duì)損傷柱加固后，工況2～工況7中結(jié)構(gòu)均未出現(xiàn)塑性鉸，且柱頂位移大幅減小，圖14為柱頂位移時(shí)程曲線。

對(duì)比加固前后位移峰值變化，工況2柱頂X向位移峰值9.10 mm比之前114.21 mm減小92%，滿足規(guī)范[8]規(guī)定側(cè)移限值要求，加固效果明顯，加固前工況4位移突然劇增，工況5開始結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸并破壞，加固后工況4和工況5位移峰值同工況3接近，遠(yuǎn)小于加固前，構(gòu)件未進(jìn)入塑性(見表3)。

表3 加固后柱頂位移峰值 mm

4 結(jié)論

廠房結(jié)構(gòu)承力構(gòu)件多，幾根柱底部部分失效，約束減弱后，廠房在靜載作用下未必會(huì)發(fā)生倒塌，但在水平強(qiáng)震作用下結(jié)構(gòu)不經(jīng)過(guò)加固，發(fā)生連續(xù)倒塌的可能性在大幅提升。

1)根據(jù)計(jì)算損傷廠房結(jié)構(gòu)在地震前后的柱頂側(cè)移可知，加固前柱頂端位移較大，已超過(guò)相應(yīng)規(guī)范限值，給結(jié)構(gòu)安全可靠性帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行加固處理。

2)依據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)采用斜撐加固后，遭受地震作用后桿件未出現(xiàn)新的塑性鉸，且頂層位移減少很多，說(shuō)明對(duì)受損結(jié)構(gòu)采用斜撐進(jìn)行抗震加固效果較好。