摘 要:针对上海世博会保留原有工业建筑的改建项目,从材料的应力-应变关系的层次上,将原烟囱结构模拟为环形剪力墙结构,对改建烟囱进行了罕遇地震下的弹塑性时程分析,同时对该工程的结构抗震性能进行评估。
关键词:加固 改建 高耸结构 烟囱 弹塑性时程分析
0 引 言
改建建筑是指在保存原来建筑体形的基础上,对原结构进行加固和改造,即在提高结构安全性的同时使其设施功能满足时代需求的加固改造措施,
投资少、影响小、见效快,不仅具有可观的经济效益,同时也具有巨大的社会效益。
由于原建筑的长期使用以及使用荷载的变更对其结构安全度有一定程度的降低,对其整体结构进行抗震性能分析,对改建工程的设计及加固方案的确定具有重要的指导意义。
本文针对一个体型较为复杂的改建结构,通过非线性数值仿真分析,对其原结构和加固后结构在地震下的抗震性能进行研究。
1 工程概况
上海南市发电厂烟囱为一高165 m的钢筋混凝土烟囱,于1984年建成,如图1a所示。通过拆除烟囱内部的隔热层和内衬,同时在烟囱外围加建4榀螺旋钢管桁架与高度方向每10 m一道的水平环桁架,将其改建为结构高度为195·6 m的动态观光塔。
原烟囱底部半径8·2 m,烟囱顶部半径2·8 m。筒身厚度由400 mm递减到160 mm,混凝土强度等级为#250。改建中采用浇筑混凝土加厚筒壁的方
式进行加固,强度等级为C30。钢桁架钢材采用Q235B。抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0·10g,场地土类别为Ⅳ类,设计地震分组为第一组。
2 计算模型
2·1 计算模型
采用剪力墙单元对原烟囱结构进行模拟。弹塑性剪力墙单元面内刚度的力学模型采用平面应力膜,其单元切线刚度直接基于混凝土材料微元和钢
筋材料微元的本构关系,计算刚度矩阵时将混凝土面积和钢筋面积综合考虑。剪力墙单元的面外刚度采用简化的弹塑性板单元进行考虑[1]。
由于原烟囱结构的承载力已不能满足改建后功能的需求,故需要对原烟囱结构进行加固。建立三维空间模型,由于新加钢结构部分的刚度较弱,故在弹塑性计算中偏安全的将外部和顶部钢结构考虑为荷载作用于烟囱上,定义剪力墙单元的竖向和环形配筋率分别为0·8%与0·7%。根据烟囱加固前后建立2个计算模型,其中模型1为原烟囱结构模型模型2为在原烟囱筒壁外部加厚150 mm模型。
2·2 结构材料
原结构混凝土为C25,相当于现行规范C23强度等级,由于原烟囱已使用二十多年,加上使用过程中高温烟气等的腐蚀性作用,已对原烟囱结构造成一定程度损伤,故将混凝土按C20强度等级考虑泊松比为0·2。新增烟囱筒壁混凝土等级为C30由于与原混凝土结合后并不能发挥100%的强度故也将新增混凝土按C20强度等级考虑。混凝土本构关系采用双线性模型,受压弹塑性阶段杨氏模量折减系数取值为0·1,因此该混凝土双线性本构关系为强化型模型。同样钢材的本构关系也采用双线性模型,弹塑性阶段杨氏模量折减系数取值为0·01。
2·3 地震波的选择
该结构抗震设防烈度为7度,Ⅳ类场地土,特征周期为0·9 s。根据规程[2],7度设防罕遇地震下地震波的主分量峰值加速度取值为200 cm/s2,计算步长取0·02 s。在原来地震波的基础上,截取一定时间长度的加速度时间历程,其持续时间长短取结构基本周期的5~10倍。根据模态分析结果,结构基本周期约为2·5 s,因此地震波的计算长度取值为25 s。
3 计算结果
3·1 加固前后对比
加固前后结构整体参数如表2,可见加固后结构重量有所增加,但由于原有设计中基础承载力富余度较大,故仍可满足加固后荷载。同时结构的刚度也有所提高。
加固后模型的位移值较加固前有大幅度降低;加固前模型在90 m高度处出现了位移突变,在100 m高度处模型已经破坏,而加固后模型的位移值较为均匀。故拟采用该加固方案对原烟囱结构进行加固。
选取SHW1、SHW2、SHW3作为三维模型输入的地震波,由于本结构为一圆环型结构,各个方向均对称,因此只在X方向输入地震波对该结构进行弹塑性时程计算。各条地震波作用下结构顶点位移时程曲线。
从以上的位移时程曲线可以看出,同一烈度、同一水准的不同地震波输入时,以SHW3地震波输入时位移反应最大,与SHW2地震波相比差异较大,这说明输入地震波的频谱特性对结构的动力反应有相当大的影响。
3·3 加固后结构侧向位移
在结构每个水平环桁架位置统计结构的侧向位移,高度间距约为10 m。各条地震波作用下结构侧向位移曲线。
入时,结构沿地震波主方向与次方向的侧移均较为均匀,说明加建后结构的整体刚度较好,不存在明显的薄弱部位。结构的刚度变化趋势如图4。
三条地震波作用下结构最大的顶点位移角分别为1/363、1/488、1/241,均能满足规范1/100的要求。
3·4 加固后结构剪重比
结构经过加建后总重量为69 785 kN,不同地震作用下结构的剪重比。
4 结 论
采用三条地震波按7度抗震设防考虑,对本工程进行了弹塑性时程分析。结果表明在各条地震波作用下,该结构能够满足抗震设防要求,具体结论如下:
1)通过加固前后的弹塑性时程分析结果对比,拟采用筒身外壁加厚150 mm的方式对烟囱进行加固。
2)在7度罕遇地震作用下,加固后该结构的最大顶点位移角为1/241,能满足规范1/100的要求。且结构整体刚度变化较为均匀,未出现明显的薄弱
部位。
3)该改建结构经过加固后能满足我国现行抗震规范“大震不倒”的抗震设防标准。
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