現役框架結構在改擴建工程中的安全性分析

李曉峰，李芳，尹兆巖

（遼寧工程技術大學 研究生學院，遼寧 阜新 123000）

現役框架結構被廣泛應用于住宅、公共建筑、多層工業廠房和一些特殊用途的建筑物。由于設計、施工、材料、環境影響等多方面的原因，難免有質量缺陷，構成安全隱患。框架結構由于荷載的長期作用、疲勞破壞以及所處的環境可能存在腐蝕作用，結構建成十幾年后其抗力會隨時間而不斷降低等等，可靠性有所降低[1－2]。安全性是現役框架結構最根本和最主要的目標，尤其是在改擴建工程中，因此，對現役框架結構在改擴建工程中的安全性進行分析是極為重要的。

1 工程概況

本文采用的模型為某六層的化工車間，建筑總高約為30 m，底層層高為4.2m，其它樓層層高均為3.9m，Ⅱ類場地，抗震設防烈度為7度，設計使用年限為50年。原化工車間所用鋼材為HRB400，混凝土樓板強度等級為C30，樓板厚度150mm，墻身為粘土空心磚，用 M7.5混合砂漿砌筑，外墻為370mm厚，內墻為240mm厚。內粉刷為混合砂漿底，灰面厚20mm。柱截面尺寸值均為550mm×550mm。梁截面尺寸（mm）及各層混凝土強度等級見表1：

表1 梁截面尺寸及混凝土強度等級

原結構建筑平面布置如圖1所示：

圖1 改建前的建筑平面圖

由于原化工車間已使用近20年，鋼筋混凝土結構腐蝕比較嚴重，其中混凝土的碳化、酥松、剝落及鋼筋的銹蝕，使截面有效承載力大大減小。為了使現有結構更加安全可靠，需將原有車間進行改建。將原結構的5軸與B軸相交處加550＊550的鋼筋混凝土框架柱，將原結構4～5軸與B軸及5～6軸與B軸相交處加300＊600的鋼筋混凝土框架梁，將原結構A～B軸與5軸以及B～C軸與5軸相交處加250＊600的鋼筋混凝土框架梁，并添加混凝土樓板，樓板的混凝土強度等級為C30，厚度取150mm。墻身為粘土空心磚，用M7.5混合砂漿砌筑，外墻為370mm厚，內墻為240mm厚。

改建后的結構建筑平面布置如圖2所示：

圖2 改建后的建筑平面圖

2 數值模擬

根據工程具體概況，利用有限元SAP2000對原有結構和改建結構建立數值模擬分析模型，如圖：

圖3 改建前結構有限元模型

圖4 改建后結構有限元模型

3 結構模態分析

利用有限元SAP2000對原建筑與改建后的建筑分別進行模態分析，振動模態是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態分析可以得到結構物在某易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性，進而可以研究結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計的基礎。

3.1 自振周期

在計算地震力時，振型個數的選取應遵循《建筑抗震設計規范GB5001—2001》，規定“振型個數一般可以取振型參與質量達到總質量的90%所需要的振型數”[3]。本文的振型數取3。

表2 兩結構前三階自振周期

自振周期是用來衡量結構穩定性的重要指標，結構的自振周期越小，其結構的穩定性就越好。由以上數據可知，結構改建后的自振周期略小于結構改建前的自振周期，說明改建后結構的穩定性有一定的提高，同時也改變了結構自振周期長，整體性差，抗震能力低的不利狀況。

3.2 振型分析

振型是結構的一個重要動力特性，通過振型分解可以將多自由度體系的振動轉化為單自由度體系振動的組合問題。利用振型分解原理對多自由度結構體系進行分析時，振型的數量和各階振型對結構總體反應的貢獻直接影響到結構地震反應的計算結果。

改建前后前三階振型圖如下：

圖5 改建前前三階振型圖

從振型圖上可以明顯看出：第一階振型以Y方向振動為主，第二階振型以X方向振動為主，第三階振型以扭轉為主。

4 振動荷載作用下結構安全性分析

圖6 改建后前三階振型圖

通過輸入地震波來分析結構的安全性，在選擇地震波時，一般優先選取與建筑物所在場地的地質環境相似的場地上獲得的實際地震記錄。此外，地震波的性質還與建筑物場地所應考慮的遠震、近震情況相符合。遠震場地相比于近震場地而言長周期成分要多一些。本文根據工程建設地的場地類別，選擇EL-Centro波，該波為1940年美國IMPERIAL山谷地震記錄，記錄長度為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，場地土類別屬n—m類，震級6.7級，震中距11.5km，屬于近震。

通過地震波的輸入，得到層間位移角如下表：

表3 兩結構層間位移角

通過表中的數據，得到改建前后的層間位移角如下圖：

圖7 輸入EL Centro波作用下改建前和改建后的層間位移角圖（X方向）

圖8 輸入EL Centro波作用下改建前和改建后的層間位移角圖（Y方向）

綜上可知，在同一地震波作用下，結構改建后的層間位移角小于結構改建前的層間位移角，說明改建后的結構穩定性、抗震能力、整體性能等有一定提高，結構安全性能有所完善。

5 結論

本文通過對現役框架結構在改擴建工程中的安全性分析，利用有限元SAP2000對原有結構和改建結構進行模態分析，通過現役框架結構在改擴建工程中的周期、層間位移的對比，可以得到如下結論：

1）通過對原結構與改建后的結構分別進行模態分析可得，改建后的結構周期變短，穩定性提高，安全性比改建前的結構有所提高。

2）從結構振動的模態分析可知，改建后的結構振動主要以前三階為主，且扭轉效應遠遠小于平動效應對結構的影響，設計合理。

[1]張新培.建筑結構可靠度分析與設計[M].北京：科學出版社，2001.6

[2]貢金鑫，仲偉秋，趙國藩.工程結構可靠性基本理論的發展和應用[J].建筑結構學報，2002（3）：35～38.

[3]《建筑抗震設計規范GB5001一2001》[S].