单层工业厂房改造对结构刚度及纵向抗震性能的影响分析

'ｋ？１！公开分类号；ＴＵ巧密级－－－－－１２１３０３１０４６００６０３０８口：１３３２０２８学号档案号：２１５硕：ｔ学位论文（全日制专业学位）单层工业厂房改造对结构刚度及纵向抗震性能的影晌分析学生姓名：＾指导教师姓名：于安林教授专业学位类别：工程硕±专业领域：建筑与±木工程研究方向：钢结构理论及其应用二〇－五年六月 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书独创性声明，■本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行硏究工作所取得的成果，本论文不含任何其他个人或。除文中已经注明引用的内容外集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研巧作出重要贡献的个人和集体，。均己在文中ｙ？明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担化论文作者签名：＿巧次复年＾月／三日日期；＿学位论文使用授权书苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部口或机构有权保留本人所送交论文的复、印件和电子文档－允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集保存、使用学位论文的规定，目Ｐ：按照学校要求提交学位惟文的印刷本和电子版本；学■，并提供目录检索与阅览服务校有权保存学位论文的印刷本和电子版；学校可ｙ采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文同意学校用不同方式在不同；。媒体上公巧论文内容的部分或全部此规）（保密论文在解密后遵守定论文作者签名：曰：年月日嫂期／吗《ｔ＊＾如Ｉ尸甚：年指导教日期月Ｈ师签名＾三？；？１１！１＾ 苏州科技学院硕士学位论文单层工业厂房改造对结构刚度及纵向抗震性能的影响分析学生姓名：周欢指导教师姓名：于安林教授专业领域：建筑与土木工程研究方向：钢结构理论及其应用苏州科技学院土木工程学院二○一五年六月 MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAnalysisontheeffectofstructuralstiffnessandlongitudinalseismicperformanceofamodificationinthesinglestoryindustrialbuildingMasterCandidate:ZhouHuanSupervisor:YuAnlinMajor:StructureAndCivilEngineeringResearchArea:ResearchAndApplicationOfSteelStructuresTheorySuzhouUniversityofScienceandTechnologyDepartmentofCivilEngineeringJune,2015 苏州科技学院硕士学位论文摘要摘要近年来，随着我国建筑业的不断发展，越来越多的建筑需要进行加固改造以满足业主日益增长的需要，建筑业进入到了新建与维修改造并重时期。其中尤为重要的就是对工业厂房的加固改造，由于其在国民经济中占主要地位，所以应重视对它进行加固改造研究。本文以金川有色金属公司第一冶炼厂熔炼车间改造工程为背景对单层工业厂房的托梁（托架）拔柱改造进行了深入的分析和研究。在对原厂房图纸进行详细研究和现场观察的基础上提出了不掀屋盖的托梁拔柱改造方案。本文首先采用SAP2000建立改造前后厂房空间有限元模型，通过自振分析验证了所建模型的可靠性，再对改造前、后的结构体系分别进行静力与动力分析，得到了厂房结构改造前、后的受力状态以及水平位移，为合理地选择加固结构构件以及采取必要的保证结构刚度措施提供依据。对托架未增设垫板以及未加固柱进行了补充对比分析，论述其对厂房刚度的影响，评价改造方案的合理性。其次，通过有限元模型的模态分析，计算出改造前、后厂房前三阶振型的频率，对比分析了厂房改造对结构整体刚度的影响。最后，对厂房结构改造前、后模型分别进行了纵向水平地震作用下的反应谱分析和时程分析，得出厂房改造在一定程度上降低了厂房纵向抗震性能，使沿厂房各柱间支撑均匀受力转向抽柱所在柱列各柱间支撑受力增大，两柱列受力不均。通过弹塑性分析，得到厂房改造使得构件提前进入塑性，但并未改变厂房结构的屈服机制，出铰顺序都是先柱间支撑，然后支撑旁的柱脚，最后才是其他柱脚，而且所有的柱脚都未破坏，改造后厂房有足够的安全可靠度。实践表明，相对于“大掀盖”改造方案，本工程的改造方案取得了显著的经济效益和社会效益，可为以后同类工程提供实践经验和理论科学依据。关键字：单层工业厂房；托梁拔柱；结构刚度；纵向抗震；SAP2000；I MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyABSTRACTABSTRACTInrecentyears,withthecontinuousdevelopmentofChina"sconstructionindustry,agrowingnumberofbuildingsneedtobereinforcedandrenovatedtomeetthegrowingneedsofowners,constructionindustryisintoanewperiodthatnewprojectsconstructionandbuildingmaintenanceandmodificationcoexists.Itisofparticularimportancetomodifyfactorybuildings,becauseofitspredominantpositioninthenationaleconomy,soitisnecessarytopayattentiontodomuchdeeperresearchaboutthemodificationoffactorybuildings.BasedontherebuildingprojectoftheJinchuanNonferrousMetalsCompany’sconverterworkshop,thispaperstudiesdeeplyontheproppingbeamsandextractingcolumnmethod(PBECM)ofsinglestoryindustrialbuilding,putsforwardPBECMinwhichcasemodificationdoesn’tdestroytheroofthroughdetailstudyontheoriginalblueprintandfieldinvestigation.Firstly,thispaperbuildspatialfiniteelementmodelofpremodificationandpostmodificationplantbySAP2000andthenverifythereliabilityofthemodelthroughvibrationanalysisandanalyzethewholestructureofpremodificationandpostmodificationstaticallyanddynamicallytogetthestressstateandthehorizontaldisplacementofpremodificationandpostmodification,andsupplyevidencesforproperselectionofstrengtheningmembersandmeasurestoensuretheoverallstiffness.Thispapercomplementscomparativeanalysisaboutnoadditionalplateofthebracketandunreinforcedcolumn,discussesitsimpactonplantstiffness,andevaluatestherationalityofmodificationproject.Secondly,modalanalysisofthefiniteelementmodelcalculatesthefirstthreevibrationmodeofpremodificationandpostmodification,analyzescomparativelytheimpactofplantmodificationontheoverallstiffnessofthestructure.Finally,thispaperappliesspectrumresponseanalysisandtime-historyanalysisunderlongitudinalhorizontalearthquaketogettheconclusionthat:plantmodificationtosomeextentreducestheverticalseismicperformanceoftheplant,ithaschangedtheinternalforce,resultingintheinequalityofthestressofthecolumnbracingandthestressofthecolumnbracinglocatedintheremovingcolumnincreasesremarkably.Byelastic-plasticanalysis,plantmodificationmakescomponentstoadvanceintotheplastic,butdoesn’tchangetheplantyieldmechanismofthestructure,thecolumnbracingfirstlyappearsthehinge,andthencolumnbasenextthecolumnbracing,andfinallytheothercolumnfoot,II MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyABSTRACTandallnoneofthecolumnfootdestroy,theplantofpostmodificationhasenoughsafetyreliability.Practicesindicatethat,withrespecttotheprojectofdestroyingtheroof,PBECMhaveremarkableeconomicandsocialbenefits,thispaperwouldprovideothersimilarprojectswithpracticalexperienceandtheoreticalreference.Keywords:Singlestoryindustrialbuilding;Proppingbeamsandextractingcolumnmethod(PBECM);Structuralstiffness;Longitudinalseismic;SAP2000;III 苏州科技学院硕士学位论文目录目录摘要...............................................................................................................................IABSTRACT..............................................................................................................II第一章绪论................................................................................................................11.1课题背景........................................................................................................11.1.1背景....................................................................................................11.1.2单层厂房改造研究的意义................................................................21.2国内外相关研究............................................................................................31.3本文问题的提出及研究内容........................................................................51.3.1问题的提出........................................................................................51.3.2本文研究内容....................................................................................6第二章单层工业厂房的抽柱改造......................................................................72.1厂房改造的背景............................................................................................72.2厂房抽柱改造的设计依据和设计程序........................................................72.2.1设计依据............................................................................................72.2.2抽柱改造设计程序............................................................................72.3抽柱改造具体内容........................................................................................82.3.1抽柱改造方案的选择........................................................................82.3.2托架的设计........................................................................................92.3.3轴⑤、⑦处柱子加固设计................................................................92.3.4柱间支撑移位..................................................................................102.3.5吊车梁的设计..................................................................................112.3.6其它的改造......................................................................................112.4抽柱加固改造的施工方案研究与实施......................................................112.4.1施工中主要关键技术及难点..........................................................122.4.2屋架的顶升......................................................................................12 苏州科技学院硕士学位论文目录第三章模型的建立与验证..................................................................................143.1引言..............................................................................................................143.2建模背景......................................................................................................143.2.1国内外相关研究..............................................................................143.2.2厂房的空间力学模型......................................................................153.2.3模型的分析方法..............................................................................163．3模型的建立................................................................................................173.3.1SAP2000简介..................................................................................173.3.2SAP2000模型的建立......................................................................173.3.3单层厂房空间有限元模型的验证..................................................18第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析.............................................224.1厂房横向刚度控制指标..............................................................................224.2改造前、后厂房静力计算.........................................................................234.2.1荷载取值..........................................................................................234.2.2荷载组合..........................................................................................244.2.3排架内力组合..................................................................................254.2.4改造前、后结构静力计算..............................................................254.3单层厂房刚度有限元分析静力分析..........................................................254.3.1改造前、后厂房K处水平位移验算..............................................264.3.2改造前、后⑥轴排架的有限元刚度分析......................................264.3.3.改造前、后⑤、⑦轴排架的有限元刚度分析.............................30第五章单层厂房改造对结构纵向抗震性能的影响分析..........................345.1厂房纵向刚度控制指标..............................................................................345.1.1计算假定..........................................................................................355.1.2纵向位移的计算..............................................................................355.2厂房的自振特性分析..................................................................................375.3厂房的纵向反应谱分析..............................................................................385.3.1反应谱理论......................................................................................385.3.2厂房的反应谱分析..........................................................................405.4厂房的时程分析..........................................................................................455.4.1时程分析法基本理论......................................................................45 苏州科技学院硕士学位论文目录5.4.2地震波的合理选取..........................................................................465.4.3厂房的弹性时程分析......................................................................495.4.4厂房的弹塑性时程分析..................................................................565.5小结..............................................................................................................64第六章结论与展望................................................................................................656.1结论..............................................................................................................656.2展望..............................................................................................................66参考文献..................................................................................................................67致谢............................................................................................................................71作者简历..................................................................................................................72 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1课题背景1.1.1背景近年来，作为我国国民经济的重要组成部分的建筑业发展迅猛，在我国经济建设和社会发展中的作用越来越凸显。据不完全统计，从2000年至2009年期间，我国建筑竣工面积从每年8.07亿m2增长到每年24.54亿m2[1]，由此可见建筑业发展迅速，到目前为止，我国既有建筑物面积已经达到了约400亿m2。但如此多的建筑物，在长期的自然环境以及使用环境的双重作用下，都出现了不同程度的性能退化，特别是一些大型的工业建筑，根据相关报道，我国约有50%左右的工业厂房由于种种原因存在着多种病害亟待解决[2]。如何使用和管理这些存在问题的既有建筑，如何对其进行加固改造，己成为当前的研究热点问题。许多发达国家早在上世纪50年代就开始重视老旧建筑的改造，尤其是对工业建筑的改造。我国起步较晚，在上世纪八十年代开始重视对老旧建筑的改造问题。随着我国大量兴建于上世纪50、60年代的工业厂房陆续进入老年期[3]，同时，工业厂房长时间的处于连续生产状态，工作负荷大且环境恶劣，加快了厂房结构构件的损坏，对其进行加固改造已迫在眉睫。而且随着我国国民经济的发展和生产技术的革新，大部分旧厂房己经不能满足新的生产工艺需求[4][5]，这时候企业就将考虑是拆除新建还是加固改造，出于对经济利益的考虑，更多的业主选择对旧厂房进行加固改造以获得更大的厂房空间，进而满足生产需要，如更新设备等。托梁拔柱是一种较好的扩大柱距的技改方法，广泛应用于工业与民用建筑改造工程中，相对于传统的大范围地拆除原屋盖、再进行抽柱，最后恢复原屋盖的“大掀盖”改造，托梁拔柱这种改造方法可在厂房正常运转的情况下实施，而且对厂房周边环境影响较小，改造过程周期短，具有良好的经济效益。本文的厂房改造采用的方法就是托梁拔柱的改造方法。托梁拔柱不仅指托梁（托架）拔柱，还包括托屋架拔柱、托梁拆墙。它是对上部结构（屋盖系统）不进行拆除或尽量少拆的情况下再对局部构件实施拆除、更换、截柱的一门综合性技术，还包括与之相关的加固技术、顶升技术和截柱技术等[6]。其基本过程是根据厂房实际情况新1 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论增一托梁(或托架)，通过加固顶升技术再抽掉柱子，将原柱子所承担的荷载转移到新增托梁(或托架)上，再转移到待抽柱两侧柱子上，进一步将荷载传给基础。托梁拔柱能有效扩大柱距，进而增大工业厂房内部作业空间，施工进度快，投资少，对生产影响小，但其对设计、施工要求较高，而且设计方案会受施工工艺的制约，技术含量较高[7][8][9]。在发达国家，建筑业己经从“大规模新建”、“新建和维修改造并重”阶段进入到了“既有建筑的改造和维修加固”阶段[10]。他们对既有建筑维修加固投资日渐增大，改造施工技术标准化，制定了相关技术标准，而我国现代加固改造技术的研究还处于初级阶段，加固改造行业还不够完善，缺少相应的准则。实际工程中多是仅针对构造和承载力不够的构件进行改造加固设计，没有从结构整体上把握，忽略了个别构件的的加固以及构件的移位会影响整体结构的刚度分布，进而影响结构的抗震性能。其次相关的研究更多的集中对特定工程的改造，介绍相关的施工工艺和施工技术，并没有形成一套完整的理论和体系，特别是对抽柱改造后效果评价，对建筑物整体刚度的影响以及抗震性能的影响论述更少。1.1.2单层厂房改造研究的意义单层工业厂房由于其具有空间大、无需竖向交通、结构承受荷载大、便于室内外联系、屋顶易于改建和加建等特点，在现实中有着广泛的应用。据有关资料显示，我国现有的工业厂房面积达到7.0亿m2，而其中服役30年以上的累积达到约30%，对这些厂房如何进行有效管理与使用，将是各企业首要解决的难题，这些厂房的功能状态的好坏将直接影响工厂生产的正常运行，直接影响企业的发展，进而影响了我国国民经济。大部分面临着改造的厂房由于设计年代较早，当时的规范或标准相对落后，而随着我国工业现代化进程的推进，这些厂房可能满足不了当前技术进步以及产能提升的需要，可能部分厂房将被淘汰。但如果对其直接拆除，不仅可能危害厂房周边环境，同时拆除重建将耗费巨大的人力、物力，财力，增大了企业的资金回收期，同时降低了企业的生产效率。因此，相对来讲，对厂房进行加固改造将是一种可持续的手段，不仅节约了资源，同时也扩展了老旧厂房的使用功能。相对于新建厂房，加固改造不仅有投资少、工期短、充分利用了旧建筑物，具有显著的经济效益。同时，对于负债中的国有大中型工业企业想进行技术更新，发展改革，加固改造无异于雪中送炭，将带来深远的社会利益。同济大学朱伯龙教授指出：21世纪是修补的世纪。随着投资的增加以及改造意识的深入，我国的工业、民用以及公共建筑的改造项目越来越多。对既有建筑进行改2 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论造，通常包括对原结构构件进行损伤检测、结构可靠性以及抗震性能鉴定、结构改造和加固设计、施工技术等相关工作[11][12][13]。老旧建筑的改造是一个新兴行业，技术储备还不足，故而加强基础理论和应用技术的研究是当务之急。首先，探索单层工业厂房加固改造理论。在总结和借鉴发达国家在对既有建筑改造相关研究的基础上，结合我国已完成的或将进行的改造工程，充分发挥主观能动性，探索相关的加固改造理论以及应用技术研究。本课题便是基于各位前辈学者的研究成果，对本改造工程进行了系统论述，从设计理论以及施工工艺上进行了总结，为以后类似工程提供参考。其次，完善对改造效果的评价，特别是厂房改造对结构刚度及纵向抗震性能的影响，进行了深入的分析研究。利用现有的计算手段建立有限元模型，模拟不同改造工况下的厂房状态，从理论上评价了改造的合理性，对设计与施工有很强的指导意义。1.2国内外相关研究上世纪50年代以来，美、英、法、德等国就开始重视起工业建筑的改造[14]，我国起步较晚，但随着我国建筑业步入“新建与维修加固并重”阶段，我国对既有建筑的加固改造也越来越受到重视。美国劳工部在2000年做出的报告指出，建筑维修加固改造业是21世纪世界各国最受欢迎的九大基础行业之一。现如今，我国不仅在公共建筑、工业建筑进行加固改造，现已步入到民用建筑中，各个领域的改造项目越来越多[15]。对既有建筑进行改造，会破坏其本身原稳定的机构承载体系，而且在改造过程中将会破坏原有的传力体系，用新增构件或局部结构体系来替换掉需改造的结构。工业建筑的抽柱改造是集设计与施工为一体，改造后的成品和施工过程都要进行控制，充分利用既有条件，设计出安全合理的改造加固方案与施工方案。改造过程中新增的构件或者结构体系必须适用于原结构体系和既有的现场条件，这就有可能导致新建的构件或者结构体系不能完全满足新设计结构标准，从而使得新结构体系为非标准结构体系，包括支座形式、构件尺寸与形状的非标准[16]。上世纪60年代，美国的景观大师劳伦斯哈普林就提出了“建筑再循环”的理论，这理论并非指简单的修复再使用，其再循环指的是功能上的变动，重新调整建筑内部空间结构以期被人们接受[17]。上世纪70年代日本也开始重视对旧工业建筑进行加固改造。其中很著名的改造工程当属1974年浦边镇太郎对“仓敷阿依比广场”的进行的改造，使一幢19世纪原本只是“三流”的纺织厂厂房改造成了一座“一流”的具有古典风格的观光旅馆[18]。3 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论20世纪90年代的十来年里，既有建筑再利用再创造成为欧美建筑师普遍涉及的业务。据统计，在美国大约70%的建筑项目与此有关，在欧洲更有80%的建筑业务属于此类项目，他们在这方面的观念和手段已经达到了相当高的水平，积累了丰富的经验，目前许多西方发达国家对建筑的改造性再利用已经成为旧建筑改造的主导模式。2003年中国有色二十三冶第二工程公司的陈再学老师对单层工业厂房抽柱改造设计与施工进行了深入的分析研究。其提出了根据原有厂房结构状况，综合考虑安全、工期、技术装备等因素，选用液压顶升、托梁抽柱的改造方案[19]。2004年到2005年期间，申跃奎和于安林老师对一单跨排架结构的单层工业厂房的抽柱改造做了深入的分析与研究，用有限元软件对施工过程前后的荷载变化以及刚度的变化进行分析，并对施工过程中屋架的顶升和托架的施工做了详尽的论述，成功的在短时间内完成了主要工序的施工，取得了很好的经济效益[20][21]。2007年福建建筑设计研究院的李梁峰老师对一采用钢筋混凝土排架的五跨单层厂房的抽柱改造做了深入的研究。李梁峰老师在实际改造工程中提出了现浇预应力混凝土托梁抽柱技术，这种技术与传统的抽柱相比，不用对屋架以及相关节点进行复杂的处理[22]，取得不错的改造效果。2007年本溪钢铁公司设计研究院的贾德成老师在综合分析拆除屋面方案以及托梁换柱方案，其认为：拆除屋面方案优缺点突出，虽改造质量较好，但工作量大，工期长，耗费高，相比于较稳妥的屋面拆除方案，托梁换柱方案传力明确，对原有的结构破坏较小，而且投资少，经济效益显著[23]。总之，对既有建筑，特别是工业建筑的加固改造，已成为我国乃至世界建筑业的大趋势，而作为一种有效扩大柱距的托梁拔柱改造技法也得到了广泛应用。而且随着研究的深入，这种实用的改造技法逐渐发展到民用建筑改造加固当中。但实际工程中多是仅针对构造和承载力不够的构件进行改造加固设计，没有从结构整体上把握，忽略了个别构件的的加固以及构件的移位会影响整体结构的刚度分布，进而影响结构的抗震性能。其次相关的研究更多的集中对特定工程的改造，介绍相关的施工工艺和施工技术，并没有形成一套完整的理论和体系，特别是对抽柱改造后效果评价，对建筑物整体刚度的影响以及抗震性能的影响论述更少。4 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论1.3本文问题的提出及研究内容1.3.1问题的提出目前，我国建筑业己经从“大规模的新建”阶段转到“新建与维修改造并重”阶段，许多原有建筑物，特别是工业厂房由于使用功能改变和生产工艺、设备更新，考虑到厂房的经济利益，以及符合国家的节能减排，比起新建厂房，业主更加希望通过改变原有建筑物的平面布局，增大其使用空间，进而满足更新设备等需要，所以现在已经出现越来越多加固改造，而其中托梁拔柱就是一种既经济又安全加固改造方式。虽然我国抽柱改造开始较早，但大量的文献中并没有多少是系统论述了托梁拔柱方法，大部分集中介绍改造工程做法以及怎样进行托梁拔柱施工；对如何评价抽柱改造后效果，以及改造工程对建筑物整体刚度影响这方面研究不多，而对于单层单跨的工业厂房，抽柱改造在一定程度上削弱厂房的整体刚度，再加之厂房不仅承受恶劣的工作环境，同时还得承受自然环境作用，可能会出现构件老化、支撑变形、连接节点破损，围护结构开裂，钢筋锈蚀、刚度退化等病害[24]。如果不对厂房的刚度加以控制，会导致以下两种后果。（1）直接现象：吊车摇摆式行进，厂房明显晃动；车轮卡轨，严重时车轮冲撞钢轨；小车吊装不到位，厂房构件局部剧烈振动；厂房侧移加剧，特别是抽柱薄弱处，将影响吊车正常工作，严重时可能引发吊车出轨。（2）间接现象：吊车频繁运行产生的反复变动荷载，结构相应的频繁地侧移过大，导致吊车梁出现裂缝；吊车梁连接系统以及制动系统出现松动、移位甚至断裂；屋架与柱的连接被拉脱[25][26]。因此有必要对厂房抽柱改造后横向变形进行控制。与此同时，由于我国需要改造的厂房大多建设较早，设计时大多以平面排架作为设计依据，忽略了厂房的纵向抗震计算，特别是建于五六十年的厂房，当时是按照前苏联的模式，当时的平面排架假设是没有考虑吊车和山墙的影响[27]。而且目前的单层钢筋混凝土柱厂房抗震研究，仍然集中于厂房的横向抗震计算分析，而且已经形成相当成熟的理论，但厂房的纵向抗震计算目前还不普及，仅仅对一些比较重要结构复杂的厂房进行了空间整体模型计算分析。而从唐山地震、汶川地震的震害来看，那些原厂房设计中忽略了对厂房纵向抗震进行考虑，导致不少单层厂房发生了纵向破坏，从天窗侧面支撑斜杆拉断，到屋面梁（屋架）发生纵向倾斜，以及柱间支撑的破坏，柱根出现沿纵向的水平断裂，围护墙出现斜裂缝等，后果非常严重[28]，这表明纵向抗震性能较差，甚至低于厂房横向的抗震性能，因此，厂房纵向抗震性能也不容忽视。本改造厂房建于上世纪80年代，当5 苏州科技学院硕士学位论文第一章绪论时设计仍以横向排架设计为主，对厂房纵向以一柱列来分析的，而且设计之初由于厂房工艺问题，厂房的中部俩柱间支撑就与屋盖支撑体系并不在一个柱间，相互错开，改造后柱间支撑进一步移位，不仅再一次拉大所在柱列的柱间支撑间距，同时使得俩柱列的柱间支撑严重不对称，这是否会影响厂房的纵向抗震性能是值得研究的，特别是对在地震区的单层工业厂房，其抗震设计以及加固改造设计也是需要重点关注的一个问题。1.3.2本文研究内容本文以工程实例为背景，对单层工业混凝土柱厂房托梁（托架）拔柱以及结构加固进行了理论上的探讨。着重做了以下几方面的工作：（1）参考其他实际托梁拔柱的工程资料，根据本厂房的实际情况，查看、阅读原始厂房资料以及改造设计资料，掌握和了解厂房现状，对厂房的具体抽柱加固改造过程进行整理，提炼出该工程的改造特殊之处以及施工工艺，以作为其他相似工程借鉴。（2）通过结构分析软件SAP2000建立改造前后单层工业混凝土柱厂房的空间有限元模型，根据模型空间自振特性和实测公式对比结果，验证了所建空间有限元模型的可靠性，进而再对比分析改造前后厂房的模型。（3）对单层工业厂房改造前后进行有限元空间整体分析，对抽柱处进行局部空间分析，得到静力荷载作用下厂房横向侧移数据，对比分析改造前后厂房的空间刚度变化，评价改造效果。并对改造前、后的厂房结构进行整体受力分析，得到厂房结构的前三阶振型和频率等，对比分析厂房改造对结构的整体刚度的影响，理论上评价改造效果。（4）本文运用SAP2000建立改造前后厂房的空间有限元线性和非线性分析模型，进行了纵向地震下模型的空间线性和非线性地震反应分析，提取了改造前后模型的分析输出数据，利用数据对比分析抽柱改造对厂房纵向抗震性能的影响，评价厂房的改造效果。6 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造第二章单层工业厂房的抽柱改造2.1厂房改造的背景原厂房是一铜冶炼车间，建造于上个世纪80年代，排架柱是钢筋混凝土单阶柱，屋架是钢屋架且上盖大型屋面板无檩屋盖。单跨排架结构，跨度为24m，纵向柱距为6m，厂房全长达288m，共有四台型号同为10/50t的重级工作制吊车，轨顶标高为18m，柱顶标高20.8m，厂房所处场地的设防烈度为7度，场地类别为Ⅰ类场地。为了扩大生产，更换大型设备，厂方要求将⑥轴交B轴的排架柱抽掉，在此处设置熔炼炉，并且要求改造主体施工须在21d（检修）内完成，从而不影响工厂正常生产。为此，为了确保原厂房有足够的安全度，在加固改造之前先对原结构做全方位检测鉴定，结果合格再开始具体的改造，下为厂房的局部平面图。图2.1原厂房的平面图2.2厂房抽柱改造的设计依据和设计程序2.2.1设计依据1．原施工图设计事前指导书及原厂房图纸及相关资料2．《钢结构设计规范》（GB50017-2003）3．《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2005)4.《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）5.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）6.《钢结构加固技术规程》（CECS77-96）7 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造2.2.2抽柱改造设计程序抽柱加固改造使得厂房结构的传力途径在一定范围内发生改变，抽柱处增加了邻近构件的内力，且抽柱改造设计需满足厂房刚度在改造前后相当的要求，确保厂房能够正常使用，因此，设计程序[15]一般是：（1）计算抽柱加固改造前在原有荷载作用下结构内力以及厂房刚度。（2）根据现场厂房实际情况以及工艺要求，确定抽柱加固改造方案，研究确定抽柱加固改造后结构的传力路线及计算模型，选取与原结构相同的计算单元，从而计算抽柱后结构的内力。（3）根据改造后的结构体系及其内力值，设计托架、吊车梁及柱间支撑和对原结构相关构件及基础进行加固设计。（4）根据加固计算结果，对抽柱改造后厂房进行整体刚度验算，与原厂房的计算结果进行对比。（5）根据现场厂房实际情况研究确定抽柱加固改造实施方案和施工顺序，并对厂房结构在具体施工过程中的强度及稳定性进行验算控制。2.3抽柱改造具体内容2.3.1抽柱改造方案的选择根据业主要求，抽掉B轴与⑥轴间的柱子，设计一榀托架来支撑抽柱处的屋架，有两种方案。其一是在屋架的下方安置托架，那么即可先在地面上拼接组装托架，再整体掉升托架至合适位置进行与屋架和柱顶连接。倘若如此，新装托架将挤占吊车梁旁的检修通道，使得该处净高空间下降为不到1m，为以后检修留下安全隐患。其二是将新托架安装于屋架内部，托架下弦直接支承抽掉柱子后的屋架端部的支座，并且托架上弦保持与屋架连接，增加其稳定性。经仔细研究原厂房图纸以及现场考察厂房实际情况，发现厂房屋架支座处屋架的竖向腹杆的中心线向外偏移150mm，正好能沿着其中心线设置一榀适当高的托架，托架的下弦直接支承屋架，上弦穿过被支承屋架的中部并与屋架连接。本工程的改造方案选择第二种。8 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造2.3.2托架的设计考虑到托架刚度方面的要求，托架的上下弦杆截面均取为2[20，腹杆均取为2└80x6。托架上弦中部节点用角钢分别与⑤、⑥、⑦轴屋架相连，从而保证了托架的侧向稳定性。为了便于支承抽柱处屋架的支座，将托架下弦杆跨中处（抽柱处）斜腹杆隔开400mm，保证了托架与屋架的可靠连接。采用钢结构设计软件STS程序进行托架设计，其托架模型及轴力计算结果见图2-2。经验算，各截面的平面内抗拉弯、抗剪均满足设计要求。图2-2托架轴力（右）及计算简图（左）2.3.3轴⑤、⑦处柱子加固设计抽柱改造后，轴⑥屋架的荷载由托架直接传至轴⑤、⑦两柱子上，所以须对轴⑤、⑦排架验算。设计采用的是PKPM程序，设防烈度为7度，I类场地，基本风压[29]0.3kN/m2，计算时考虑了吊车梁荷载的改变以及托架新加偏心荷载等因素。通过验算，轴C处柱截面和配筋均满足要求，而轴B处柱配筋不够，为此须加固两柱，采用的是湿式外包钢加固法[30]。采用含量൒5%的乳胶水泥作为粘结剂。为了安全考虑角钢及扁钢箍都选的截面稍大一些。同时，扁钢箍在箍筋加密区也适当加密(图2-4)。柱底加固采用化学植筋技术，根据面积相等的原则在基础中植入多根钢筋，再通过钢板使角钢与钢筋相连，如图2-3(d)所示。上柱顶部既有扁箍的加密，又有托架的支座牛腿，再加上已有屋架，从而限制了在柱顶面内进行加固，因此，在柱顶部800mm高范围内采用全粘钢加固方法。9 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造图2-3柱的加固2.3.4柱间支撑移位待抽柱与其左侧柱之间有一柱间支撑，所以为了改造的顺利进行，该支撑必须予以拆除。然而柱间支撑时刻承担着整个厂房结构安全的重任，所以在改造的过程中，厂房原有的柱间支撑不能随便拆除减少而降低厂房的纵向刚度。故而为了安全起见，我们采取先在轴④、轴⑤之间安装新的柱间支撑，然后拆除轴⑤、轴⑥之间的柱间支撑的办法进行柱间支撑的移位，如下图所示：a原厂房柱间支撑b柱间支撑移位c柱间支撑移位之后图2-4柱间支撑移位示意图柱间支撑的制作、运输过程中应注意构件的受力条件以及经济合理性，比如说便于运输、堆放以及安装；安装过程中应考虑定位措施，将构件临时固定。10 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造2.3.5吊车梁的设计吊车梁系统的结构通常包括三部分：吊车梁（或吊车桁架）、制动结构和辅助桁架及支撑(水平支撑和竖直支撑)。吊车梁作为厂房的主要构件，不仅承受较大的荷载作用，而且其疲劳强度有较高的要求。原厂房柱距为6m，抽柱后变为12m，一是原吊车梁在长度不够；二是原混凝土吊车梁梁高是1200mm，也不能满足12m跨的要求。为此设计了1200~1500mm的变截面钢梁来作为新的吊车梁。2.3.6其它的改造设计的托架是承托在轴⑤、⑦两柱平面内侧新增的上柱钢牛腿上，需对两柱柱顶进行加固改造，新增钢牛腿节点详图如图2-5。在对原厂房进行了全面的检测鉴定后，对改造局部的一些螺栓等进行了紧固处理。该厂房的基础的持力层是卵石层，级配较好，地基承载力特征值是600kN/m2,通过再次验算，轴⑤、⑦两柱的基础改造后仍满足要求。图2-5柱顶加固详图2.4抽柱加固改造的施工方案研究与实施为了实施合理的抽柱改造方案，须首先遵循的先加固后改造的原则，实现荷载的有效转移，保证屋架顶升过程以及截柱中和截柱后厂房的结构安全，抽柱加固改造的施工方案显得更为重要。需制订出详细的施工组织设计，并经专家评审后方可实施。本工程施工顺序：柱间支撑移位（不拆原支撑）-轴⑤、⑦交轴B处柱加固-轴6处顶升屋架并截上柱-吊装托架并高空拼接-卸载截下柱-安装新的吊车梁-拆除原支撑恢复其他围护结构，从而保证了工厂能在大修后顺利生产。11 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造在厂房大修前需提前进入施工，要完成障碍物的拆除、托架、吊车梁、柱间支撑以及柱顶钢牛腿等钢构件的制作，加固以及拆除结构部位要进行放线测量，核实厂房柱网以及标高，还要检查原厂房结构构件实际尺寸、位移值、安装误差、柱子垂直度、轨顶标高及柱顶标高等，清除构件以及屋面积灰及杂物等。2.4.1施工中主要关键技术及难点（1）施工中的屋架顶升技术本次抽柱加固改造的重点在于托架，而托架施工的关键在于如何将抽柱处的屋盖系统安全地顶升，以便安全快速地截掉被抽柱的上柱，为托架安装留出足够的空间，进而顺利地安装托架，同时保证屋架不下沉。（2）施工过程中的结构安全由于托架安装以及加固钢屋架可能存在误差，导致构件内出现额外的内力，截柱及向上顶升以及卸载的整个过程要保证厂房结构的安全，是工程的难点。2.4.2屋架的顶升本次抽柱加固改造的重点在于托架，托架的安全安装的前提是对原屋架进行顶升，由于业主要求在大修21d期间完成改造，工期紧，所以要充分利用已有的条件，结合图纸通过充分利用现场条件，避免在20m高的屋架下另外再架设脚手架和临时支撑，而采用在原支座的附近安置轴⑥的屋架的临时支承顶升点，而临时支承顶升点就选在待抽柱处的吊车梁牛腿，进而顶升屋架的方案。先清除掉轴⑥附近的轨道和吊车梁以及其他辅助桁架，腾出柱牛腿，再在牛腿上固定一个适当高度固定钢短柱，并使其与待切割上柱固定在一起，与此同时对屋架的临时顶升点进行加固处理，如图2-6、2-7所示；然后再于钢短柱上置一50t的千斤顶，待轴⑥屋架支座与柱断开连接后，使柱与屋架完全脱离之后开始缓慢顶升屋架20-30mm，顶升时须监测以防出现不利情况；在确保屋盖和待抽柱附近的其他柱子安全和稳定的基础上，再开始迅速切割待抽柱，截掉柱顶约400mm，然后进行托架的高空拼接并施焊。完成托架拼接施工后，千斤顶开始缓慢卸载，使托架开始承受屋架作用，等其受力稳定后再进行焊接和螺栓连接，完成托架施工。经现场检测，抽住处屋架的支座标高在改造前后没有发生变化，即抽柱改造并未给屋面受力系统带来多余的不利影响。12 苏州科技学院硕士学位论文第二章单层工业厂房的抽柱改造图2-6顶升结构临时支撑钢柱图图2-7屋架支座处加固图13 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证第三章模型的建立与验证3.1引言我国对单层钢筋混凝土柱厂房的抗震研究始于二十世纪五十年代，在当时无论是单层厂房的建筑形式，还是其结构体系及计算方法全部照搬前苏联模式，地震反应分析时忽略山墙以及屋盖的水平刚度对厂房整体刚度影响。而且在分析设计时厂房横向取一榀排架，纵向则取一个柱列，其对平面排架进行的假设建立是没有考虑吊车且不计山墙对厂房的影响[31]。当前，单层厂房的设计，绝大部分仍依据平面排架计算结果进行设计，仅对较重要的或结构复杂的厂房才进行空间模型计算分析。然而，按平面排架设计厂房时，其模型仅考虑了排架平面内的刚度，而未考虑或者对排架平面外刚度考虑不足，并且把纵向连系构件（如吊车梁）对排架的作用仅简化为荷载，厂房结构整体受力时忽略了各构件之间的相互作用；因此，采用空间模型来计算分析抽柱改造对厂房结构的影响是十分必要的。本章利用结构分析软件SAP2000建立改造前后厂房的三维空间模型，来对比分析单层厂房改造前后的变化，在此之前先通过选取平面模型，整体模型与单质点公式以及实测经验公式计算结果对比，验证了所建的模型的有效性和合理性。3.2建模背景3.2.1国内外相关研究前苏联从上个世纪40年代己经开始研究厂房的空间作用，我国最早有关于厂房空间作用的论述是见于常士骠[32]先生发表于1954年的论文《单层房屋排架侧移之纵向分布》中。其后我国陆续出现多家单位及个人就单层厂房采用了实测、模型试验和理论分析等方法，得到了新的厂房空间分析理论以及数值分析方法，主要的研究成果如下：1954年王光远[33]教授进行了大量模型试验以及对大量真实建筑物测试，提出了“用屋盖把一系列排架和山墙联系起来而形成一个空间体系”的单层厂房的空间简化模型。1965年刘百铨[34]教授提出了厂房空间作用的分配系数建议值已供设计使用。1973年清华大学古国纪[34]教授等人采用厂房柱顶施加集中水平力的强拉方法对大型14 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证屋面板单跨厂房和有檩屋盖体系厂房进行了大量的测试研究，得到了屋面板的平面内剪切刚度值，并制成了空间作用分配系数表供工程应用，实现了厂房空间理论向实用转化。中国建筑科学研究院的刘志刚工程师在通过实测和整理得到大量单层厂房的脉动数据的基础上，再根据厂房的基本周期以及振型，提出了单排架地震荷载乘以厂房空间作用折减系数的方法，第一次提出实用的简化空间分析方法[31]。1977-1978年间，北京钢铁设计研究总院会同广东省地震局、山西省冶金设计院等数家单位对12个冶金企业的60座单层厂房(主要是钢筋混凝土柱厂房)中154个单元进行了自振周期等动力特性的测定和分析。以脉动法为主，张拉释放法为辅进行对比，求得单层厂房横向和纵向基本自振周期的经验统计公式[35]。2010年12月01实施的建筑抗震设计规范（GB50011-2010）中规定“厂房的横向抗震计算，对于混凝土无檩和有檩屋盖厂房，一般情况下，宜计及屋盖的横向弹性变形，按多质点空间结构分析，对于混凝土无檩和有檩屋盖及有完整支撑系统的轻型屋盖厂房，一般情况下，宜计及屋盖的纵向弹性变形，围护墙与隔墙的有效刚度，不对称时尚宜计及扭转的影响，按多质点进行空间结构分析”。经过近几十年的发展，在前仆后继的学者不断努力下，单层钢筋混凝土柱厂房结构分析模型经历了从单自由度模型到层间模型、杆系模型最后到三维空间模型的过程，总之发展。3.2.2厂房的空间力学模型目前，我国学者对单层厂房进行研究主要采用两种空间力学模型，其一是将屋盖视为有限刚度的水平等效剪切梁(板)，各纵向柱列视为柱子、支撑和纵墙的并联体的空间质点系模型[36]，如图3-1所示。其二是将单层厂房简化为温克尔假定下的地基梁模型[31]，如图3-2所示。15 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证图3-1厂房空间力学模型图3-2厂房的地基梁模型3.2.3模型的分析方法我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）9.1.7和9.1.8节虽明确规定了无论厂房的横向抗震计算还是纵向抗震计算，都宜计及屋盖的弹性变形，按多质点进行空间结构分析，但是大多数的厂房设计仍以平面排架计算结果为依据，多数研究也仍以平面模型为基础，未充分考虑空间作用，而且多数的抗震分析研究仍采用线性分析，而未采取更加符合实际的非线性分析方法，但随着近年来计算机技术的高速发展，其计算能力取得成倍数的提高，使得有限元方法得到了广泛应用，是分析计算复杂结构的有力手段。其基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体[37]。相对于平面模型，空间有限元模型不仅能真实地模拟结构在弹性阶段的运行情况，同时也能真实地模拟实际结构的物理及材料非线性，并且解决了空间力学问题，因此，相对来说采取有限元软件建立的空间模型是比较合理的。目前应用较广泛的有限元分析软件有ANSYS,ABAQUS,SAP2000等。16 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证3．3模型的建立3.3.1SAP2000简介SAP2000作为一款通用结构分析与设计软件，由美国ComputerandStructuresInc.(CSI)公司开发研制，该软件具有集成化、高效率及实用的特点，广泛应用于工程领域。SAP2000汇集了大多数国家及地区的现有结构设计规范，软件中自带了中国、美国、加拿大以及欧洲规范，能完成绝大部分国家及地区的结构设计工作。其计算过程是基于有限单元法和矩阵位移法，能在一定程度上保证计算结果的精度[38]。SAP2000自带丰富的单元库，包括常见的梁单元、板壳单元、实体单元以及丰富的连接单元等，另外，其还包括如变截面框架单元、快速求解器、特征向量和Ritz向量分析、移动荷载的添加，多种束缚和约束等。其具有强大的先进的分析技术，可以用于逐步大变形分析，P-∆分析，索分析，仅拉或仅压分析，屈曲分析，爆炸分析，阻尼器、基础隔震和支座塑性的快速非线性分析，位移控制的能量方法，顺序施工分析等[39]。3.3.2SAP2000模型的建立本文根据该工程的单层工业厂房的实际情况，采用以下假定建立抽柱改造前后单层厂房空间的有限元模型：（1）梁柱节点、系杆节点及屋架与柱顶的连接节点均采用铰接；柱脚采用刚接；（2）吊车质量采用集中质量的形式施加到结构上，不考虑其桥架作用；（3）梁、柱、屋架和系杆均采用梁单元；（4）屋面板采用Shell单元，考虑其双向变形，使其更符合屋盖的实际地震反应；（5）忽略围护结构对结构刚度的影响；由以上假定所建立的部分模型截图如下：17 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证图3-3厂房模型立面图图3-4改造前厂房整体模型图3-5改造后厂房整体模型3.3.3单层厂房空间有限元模型的验证利用有限元软件做研究分析时，结构分析不仅要满足计算精度的需要，同时还得考虑计算时间的长短，在二者之间做出合理的权衡将决定结构分析是否成功。再者，结构分析的前提是要建立一个合理正确的模型，特别是对于分析实际问题，这一点不容忽视。本文通过利用单层厂房的模态分析来验证所建模型的有效性。结构的动力特性可以通过结构模态分析来确定，确定结构的动力特性可以求得动态载荷结构设计中两个重要参数，即结构的固有频率和振型。本文通过利用SAP2000建立了有限元模型，得到其模态分析的自振特性，再与采用依照结构动力学原理基于单质点系体系推导的单层厂房平面单质点自振周期公式以及根据脉动法实测厂房自振周期回归的实测经验公式计算厂房自振周期的结果进行对比，通过对比三者的计算结果，进而验证模型的有效性。18 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证(1)平面单质点公式裘民川[40]等人提出用单质点简化体系来计算厂房自振周期，利用“动能等效原则”原理计算各质点的等效集中到柱顶的重力荷载代表值，求得简化体系与原体系下质点的质量比值ε，ε即为质量集中系数。并且计算总结各分部荷载的集中系数如表3-1。表3-1质量集中系数ε值等效集中系数集中到柱顶的各部分结构重力荷载周期内力1．位于柱顶以上部位的结构及屋面重力荷载（屋盖、雪、檐墙等）1.01.02．柱（1）单跨及等高多跨厂房、不等高厂房的边柱0.250.5（2）不等高厂房高低跨交接柱上柱分别集中到高跨和低跨柱顶0.50.5（3）高低跨交接柱下柱集中到低跨柱顶0.250.53．墙（1）与柱等高的纵墙0.250.5（2）高低跨封墙分别集中到低跨柱顶和高跨柱顶0.50.54．吊车梁（1）一般吊车梁集中到柱顶0.50.75（2）高低跨交接柱吊车梁靠近低跨层屋盖时集中到低跨柱顶1.01.0（3）高低跨吊车梁位置介于低跨与高跨柱顶之间时分别集中到低跨和0.50.5高跨柱顶由表3-1可得单跨单层厂房集中到柱顶的总重力荷载为：ܹൌ1.0ൈቀܹ൅0.5ܹ൅0.5ܹቁ൅0.5ܹ൅0.25ൈቀܹ൅ܹቁሺ3െ1ሻ屋盖积灰雪吊车梁柱墙单跨厂房简化成单质点体系时其横向基本周期ܶଵ计算公式为:ܩ௘௤ߜଵଵܶଵൌ2πkඨሺ3െ2ሻ݃式中，Geq为总重力荷载，即公式（3-1）中的W，称之为等效重力荷载，单位kN，ߜଵଵ是单位水平力作用于排架顶部时，该点的水平侧移，单位m݇ܰ；k是纵墙对厂房周期的影响系数；钢筋混凝土屋架和钢筋混凝土柱或钢柱组成的排架结构：有砖砌筑纵墙时取0.8，无砖砌筑纵墙时取0.9。根据单质点体系计算等高单跨厂房纵向基本周期，再考虑屋盖变形，引入修正系数φ்，其计算公式为：ܶଵൌ2φ்ඥ∑ܩ∑ܭሺ3െ3)式中∑ܩ—折算至柱顶处的质量或者结构总重力荷载代表值；∑ܭ—各柱列纵向侧移刚度总和，包括所有柱∑ܭ௖、所有支撑∑ܭ௕和所有纵墙∑ܭ௪的侧移刚度；19 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证φ்—考虑屋盖变形影响的周期修正系数，按表3-2取值。表3-2钢筋混凝土屋盖厂房的纵向周期修正系数φܶ屋盖无檩屋盖有檩屋盖边跨无天窗边跨有天窗边跨无天窗边跨有天窗纵墙砖墙1.451.501.601.65无墙、石棉瓦、挂板1.01.01.01.0(2)实测经验公式[41]根据参考文献35中的钢筋混凝土柱单层工业厂房的横向和纵向基本自振周期经验统计公式：横向自振周期统计经验公式：Tൌ݇ଶ݇ଷቀ0.21൅0.00038݇ଵܤඥܪଷቁሺ3െ4ሻ纵向自振周期统计经验公式：Tൌ݇ଶቀ0.034൅0.00038݇ଵܤඥܪଷቁሺ3െ5ሻ式中，݇ଵ是屋面板影响系数，按照表3-3取值；݇ଶ是围护结构形式与柱高综合影响系数，按照表3-4取值；݇ଷ是山墙影响系数，按照表3-5取值；B是厂房的跨度，单位是m；H为柱高，单位为m。表3-3屋面承重结构形式影响系数݇1序号屋面承重结构形式݇11钢筋混凝土屋架+钢筋混凝土大型板12钢屋架+钢筋混凝土大型板/钢筋混凝土折板0.83槽瓦：钢屋架+钢筋混凝土檩条+瓦楞铁0.720 苏州科技学院硕士学位论文第三章模型的建立与验证表3-4围护结构形式和柱高综合影响系数݇2围护周期݇ଵܤඥܪଷ结构类别类别300400500600600-1500>1500外包横向1.721.481.241620时，10.6砖墙纵向3.11∗2.44∗1.77∗1.1∗110.6横向1.961.721.481.24670时，1.050.7∗敞开纵向3.42.92.41.91,0510.9∗半敞横向1.89∗1.8∗1.72∗1.64∗10.8开纵向2.812.432.051.6710.8注：带∗者供参考使用表3-5山墙对厂房自振周期的影响系数݇ଷܮଵܤଵ<0.850.8511.5൒2݇ଷ10.80.850.91将本单层工业厂房的各项数据带入各计算公式，计算结果如下表3-6，并与利用SAP2000分析所得的结果对比，从计算结果可以得到，利用SAP2000建模所得的原厂房的自振周期位于分别利用简化单质点公式和实测经验公式计算结果二者之间，从而得到，本文利用SAP2000所建的模型是具有一定合理性的。表3-6模型周期对比模型1阶2阶3阶SAP2000空间模型0.77738（Y）0.61871(扭)0.52121（X）SAP2000平面模型0.93568（Y）0.58717(扭)0.58693(扭)单质点公式0.807（Y）0.625（X）实测经验公式0.541（Y）0.4357（X）注：X表示沿厂房纵向，Y表示沿厂房横向21 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析单层工业厂房是多榀排架通过屋盖、吊车梁和纵向支撑等相互联接而组成的空间整体。保证单层工业厂房既安全又可靠地工作，除了要满足强度要求之外，同时还必须满足刚度以及稳定性要求[42]。其稳定性一般是按规范规定的构造及措施来满足的，通常不再进行稳定性验算。然而其刚度要求，必须再验算，保证结构的最大变形在规范规定的范围之内。若不对厂房刚度要求进行控制，其过大的变形将会降低结构工作性能，同时还会对非结构构件造成不良影响，如屋面开裂等。对于多跨厂房，其吊车横向水平荷载是由多列排架柱共同承担，相互作用强，厂房的空间刚度较大，厂房变形较小，一般情况下都能满足规范要求。而单跨厂房横向仅有两排架柱，在吊车横向水平荷载作用时，其空间刚度较小，横向变形较大，抽柱改造会进一步加大其横向变形，同时伴随的对其他柱子的加固也会对厂房整体刚度造成影响，所以必须对改造后厂房进行刚度研究。本章将采用SAP2000建立改造前后厂房的有限元模型，对比分析其加固改造对厂房空间刚度的影响，进而评价改造方案。4.1厂房横向刚度控制指标我国规范规定：厂房排架的横向刚度验算，属于正常使用极限状态。按厂房排架平面内一台起重量最大的吊车横向水平荷载标准值，作用在吊车梁顶面与柱连接K处（下文简称“K处”），验算K处水平位移，其满足限值要求即可。对于单层工业厂房的横向刚度，在国外规范中早有相关规定[43][44][45]，而我国现行规范中并没有明确的规定。12荷载规范规定：“对于软钩吊车，吊车横向水平荷载应取横行小车重量和额定起重量之和的百分数，并应乘以重力加速度；吊车横向水平荷载应等分于桥架两端，分别由轨道上的车轮平均传至轨顶，方向与轨道垂直[29]”。《钢筋混凝土柱设计规程》（YS09-78）对厂房横向刚度验算做出规定：“当按平面排架计算时，对于设有重级工作制吊车的一般厂房排架柱，吊车梁顶面处∆൑ܪ2200”[46]。《工业建筑可௞௞靠性鉴定标准》（GB50144-2008）仅规定了按平面结构计算时其变形限值为ܪ1250[47]，《实用混凝土结构构造手册》规定：“对于设有重级工作制吊车的厂房柱，௖验算其刚度时，按平面结构图形计算时其限值为ܪ௞1250，按空间结构图形计算时其限值为ܪ2000”[48]。௞22 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析4.2改造前、后厂房静力计算4.2.1荷载取值按照我国建筑抗震设计规范：计算吊车竖向荷载单层单跨工业厂房改造前后按每跨两台吊车同时作用考虑时，吊车荷载折减系数取0.95；计算吊车横向水平荷载时按两台吊车同时作用考虑时，吊车荷载折减系数同取0.95。各工况荷载取值见表4-1。表4.1各工况荷载取值表序号荷载类型荷载标准值备注屋面板1.5kN/m2屋面建筑做法1.24kN/m21永久荷载屋面支撑及0.15kN/m2吊管线自重构件自重程序根据截面尺寸自动计算屋面活载0.5kN/m2不上人屋面2积灰荷载应与雪荷载或不上人的屋面均积灰荷载0.5kN/m布活荷载两者中的较大值同时考虑。雪荷载S20=0.1kN/m基本雪压取50年一遇风荷载W20=0.3kN/m基本风压取50年一遇最大轮压：Pmax=410kN最小轮压：吊车荷载Pmin=95.9kN（改造前）2可变荷载每个轮子的横向水平荷载：跨间按两台吊车同时考虑Tmax=16.49kN最大轮压：Pmax=410kN最小轮压：吊车荷载Pmin=95.9kN（改造后）每个轮子的横向水平荷载：跨间按两台吊车同时考虑Tmax=16.49kN3地震作用抗震设防烈度为7度注：1、厂房风载体型系数见《建筑结构荷载规范》GB50009-2012表8.3.1项次2。2、风载高度变化系数按B类地面粗糙度，柱子取柱顶标高高度，屋架去屋脊标高高度。23 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析4.2.2荷载组合依据我国《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中荷载组合的规定，单层厂房排架结构按下表4-2进行荷载组合。表4-2荷载组合表构承载能力极限状态正常使用极限状态件由可变荷载效Sൌ1.2ܵீ௄൅1.4ܵௐ应控制Sൌ1.2ܵீ௄൅1.4ܵ஼൅1.4ሾ0.6ܵௐ൅0.7൫ܵௌ或ܵ௅൯൅0.9ܵ஽ሿ的组合由永久柱荷载效Sൌ1.35ܵீ௄൅1.4ሾ0.6ܵௐ൅0.7൫ܵௌ或ܵ௅൯൅0.95ܵ஼子应控制൅0.9ܵ஽ሿ的组合与地震作用的Sൌ1.2ܵீ௄൅ܵ஼൅൫ܵௌ或ܵ௅൯൅ܵ஽൧൅1.3ൈ0.75ܵா௛௄组合由可变荷载效Sൌ1.0ܵீ௄൅1.4ܵௐ屋应控制Sൌ1.2ܵீ௄൅1.4ܵ஽൅1.4ሾ0.6ܵௐ൅0.7൫ܵௌ或ܵ௅൯ሿ架的组合Sൌ1.0ܵீ௄൅1.0ሺܵ௅൅ܵ஽ሻ托由永久架荷载效Sൌ1.35ܵீ௄൅1.4ሾ0.6ܵௐ൅0.7൫ܵௌ或ܵ௅൯൅0.9ܵ஽ሿ应控制的组合注:本工程柱子的截断是分阶段、缓慢进行，故没有考虑动力系数。式中:S——结构构件内力组合的设计值，包括弯矩、轴力和剪力；ܵܩܭ——按永久荷载标准值计算的荷载效应值；ܹܵ——按风荷载标准值计算的荷载效应值；ܵܵ——按雪荷载标准值计算的荷载效应值；ܵܮ——按屋面活荷载标准值计算的荷载效应值；ܵܥ——按吊车荷载标准值计算的荷载效应值；ܵܦ——按屋面积灰荷载标准值计算的荷载效应值；ܵܧ݄ܭ——按水平地震作用标准值计算的地震作用效应值；24 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析4.2.3排架内力组合进行柱子等构件各控制截面的内力验算时，可按下列组合情况确定其最不利内力：（1）最大正弯矩+Mmax及相应的轴力N、剪力V；（2）最大负弯矩-Mmax及相应的轴力N、剪力V；（3）最大轴力Nmax及相应的正弯矩+M、剪力V；（4）最大轴力Nmax及相应的负弯矩-M、剪力V。4.2.4改造前、后结构静力计算SAP2000建立改造前后厂房结构模型，在荷载组合作用下进行了结构内力了计算，得到了待抽柱（⑥列B轴柱）相邻两榀排架⑤、⑦的四根柱以及⑥列C轴柱子的内力，其计算结果见表4-3。由于其它柱和屋面构件内力基本无变化就不在列出。表4-3待抽柱相邻柱改造前、后内力比较构件5列B轴柱5列C轴柱6列C轴柱7列B轴柱7列C轴柱内力改造改造改造改造改造改造改造改造改造改造前后前后前后前后前后N1985225720392018204420532046234419951974（kN）Mx1573179013771394145014241584.8178113641387（kN∙m）从表4-3中可以得到，抽柱处⑥排架C轴柱内力改造前后基本没变化，而且相邻两排架⑤、⑦列C轴柱在改造前后内力也基本没变化，只有⑤、⑦列B轴柱内力明显增大，因此本改造加固方案仅对其进行了加固。4.3单层厂房刚度有限元分析静力分析利用SAP2000建立改造前后厂房的有限元模型，首先进行在空间图形计算下验算其在一台最大吊车水平荷载（按荷载规范取值）所产生的变形值是否超过规范限值，其次再对比正常使用极限状态下改造前后厂房结构在吊车荷载、风荷载等组合下其屋盖各点的水平位移值的变化，验算柱顶水平位移值。对托架未增设垫板单独建模分析其对屋盖刚度的影响以及对未加固⑤、⑦列轴B柱再进行建模提取各节点水平位移对比分析改造方案的合理性。为了方便对数据进行对比分析，现对所建模型的节点进行重新编号如下，⑤⑥⑦排架各节点取一样的编号，如图4-1所示。25 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析图4-1节点编号4.3.1改造前、后厂房K处水平位移验算根据前文，关于横向刚度的控制指标中提到厂房吊车梁顶面处（K处）需验算一台最大吊车水平荷载作用下其水平位移，首先得确定吊车横向水平荷载的取值。现行12建筑结构荷载规范规定：“吊车横向水平荷载标准值，应取横行小车重量和额定起重量之和的10%（当额定起重量为16～50t时），并应乘以重力加速度[29]”。03钢结构设计规范规定：“计算重级工作制吊车梁及其制动结构的稳定性时，应该考虑由吊车摆动引起的作用于每个轮压处的横向水平力[49]”。在单层工业厂房刚度计算时是否考虑此水平力，在现行规范中并没有找到明确的规定。鉴于规范对于吊车梁控制较严，下文将取考虑吊车摆动引起的横向水平力进行改造前后厂房的空间图形计算。得到在改造前后厂房抽柱处所在⑥列C轴排架K处的水平位移值分别为1.3mm，1.6mm，以及抽柱处⑥列B轴排架K处的水平位移值为4.5mm，均小于按规范规定的限值Hc/2000=8.89mm。说明厂房空间刚度大，构件相互作用较强，空间作用非常明显，改造后厂房不影响吊车的正常工作。4.3.2改造前、后⑥轴排架的有限元刚度分析为了使结果清晰直观，便于评价改造效果，现采用对比分析。在荷载标准组合作用下，分别从改造前、后厂房模型中抽取待抽柱的⑥轴排架各节点水平位移数据和竖向扰度数据，并提取托架未增设垫板时⑥轴排架各节点水平位移及竖向扰度数据如下表4-4，表4-5。其中增设垫板是使托架在其与屋架连接处在高于原柱顶12mm时开26 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析始受力，消除托架受力下沉带来的不利影响。改造前、后厂房模型的变形如图4-2，图4-3所示。由图可以看出改造前、后厂房模型各榀排架均出现较大的水平位移以及竖向挠度，各排架上柱节点水平位移最大，屋架跨中扰度最大。图4-2改造前厂房模型受力变形图图4-3改造后厂房模型受力变形图(1)水平位移值由图4-2、4-3可看出在荷载标准组合作用下，改造前、后厂房模型都向同一侧侧移，对于⑥轴排架其中水平位移最大值都出现在上柱柱顶点位置，其值分别为19.24mm和20.50mm。吊车横向水平荷载作用点K处的水平位移分别为4.68mm和5.25。改造前、后厂房模型⑥轴排架的各节点位移值见表4-3。表4-3改造前、后⑥轴排架各节点水平位移值（mm）水平位移水平位移节点节点改造前未增垫板改造后改造前未增垫板改造后10.000.000.001611.1611.9112.0324.684.785.251711.6812.4712.5430.000.000.001812.1412.9713.01413.290.000.001912.6113.4813.4856.256.377.122012.9213.8113.79619.2418.7020.502113.1214.0414.00710.6311.3411.502213.0914.0113.97815.1115.0016.072312.8813.7913.7696.746.827.622412.6813.4213.56108.258.299.162512.6613.2113.551110.5210.4211.462612.8713.2813.761212.8112.5613.792713.1813.4614.081315.0814.7016.112813.6513.8114.561417.3116.9118.392914.0914.1415.021518.8018.2119.973014.5914.5615.54注：向右为正方向27 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析(2)竖向挠度值从整体模型受力变形图可知，在荷载标准组合作用下，改造前、后厂房模型⑥轴排架最大挠度均出现在跨中，数值分别为28.10mm和28.14mm。整体模型典型榻排架各节点竖向挠度值见表4-4。表4-4改造前、后⑥轴排架各节点竖向扰度值（mm）竖向挠度竖向挠度节点节点改造前未增垫板改造后改造前未增垫板改造后10.000.000.00165.886.365.8820.500.510.501711.3112.2511.3130.000.000.001816.2017.5816.2140.715.014.991921.4723.2721.5050.640.650.642025.1527.3625.1960.8512.690.042127.9230.5927.9770.780.810.782228.0331.3628.0980.9812.660.202327.2230.4427.27910.8111.7510.812428.0632.8628.071021.1322.9321.162527.7533.7127.721127.3629.9827.402624.9232.0924.831228.1031.6628.142721.2429.4921.091327.1933.1027.162816.0125.3215.761420.9229.1220.762911.2121.4710.831510.7220.9910.32305.9116.955.34注：向下为正方向为了清晰直观的评价抽柱改造对整体厂房的横向刚度的影响，去除了节点1、3、4并将其他各节点数据绘制成图4-4及图4-5，对比分析如下：图4-4各工况下各节点水平位移值图4-5各工况下各节点竖向挠度值从图4-4可以看到，在荷载标准组合作用下三种状态各节点水平位移最大均在上柱柱顶，且其他各节点水平位移相差不大，但是否加垫板情况下各节点水平位移值不28 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析尽相同。单从各条曲线来看，由于竖向荷载的作用，使得屋盖下沉，屋盖下弦左侧各节点水平位移值均小于下弦右侧，且下弦左侧各节点水平位移值向跨中靠近逐渐增加，而下弦右侧各节点水平位移向远离跨中逐渐增加；屋盖上弦各节点水平位移的变化情况基本与下弦一致，只是其值相对较小。改造后，厂房各节点水平位移基本成比例增大，说明抽柱改造使得该排架横向刚度成一定程度的削弱，各节点水平位移增幅在0.57mm~1.26mm之间，增幅最大的还是在上柱柱顶。改造前、后柱顶位移值分别为19.24mm和20.50mm，均小于规范限值H/400=52mm，验证了改造方案是合理的。但如果改造时不考虑托架下增设垫板，屋盖B轴处屋盖将于原结构体系不同，其各节点水平位移将出现变化，厂房在工作时来回晃动可能使得屋盖受力出现不利或屋面板出现裂缝等不良后果，其变化原因主要是因为抽住处屋盖下沉，从图4-5可以看到，未加设垫板情况下屋盖各节点的竖向扰度都增大，越靠近抽住处扰度变化越大，而加设了垫板情况下改造前、后扰度基本一致，未给屋面受力系统带来不利的影响。所以在设计改造加固方案时要充分考虑各种因素，不仅要保证改造前、后结构体系尽可能一致，而且还需保证施工过程中，如屋盖顶升、截柱和卸载等情况下，结构体系应尽量与原结构体系一致。而SAP2000可以做到施工全过程的动态模拟，这也是数值模拟的意义所在。为了更清晰直观的分析排架的刚度的变化，现将排架分块来分析其抽柱改造带来的影响，再结合控制点分析评价抽柱改造方案的合理性，按排架立面图分为屋面板左、右侧，下弦左、右侧四块，取其各块节点数据对比分析。图4-6屋面板左侧各节点水平位移值图4-7屋面板右侧各节点水平位移值29 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析图4-8下弦左侧各节点水平位移值图4-9下弦右侧各节点水平位移值由图4-6可知，无论是否加设垫板，改造后厂房的屋面板横向侧移都增大，各节点增幅相差不大，横向水平位移值增幅在0.71mm至0.92mm，说明屋面板整体性良好，说明是否加设垫板对这块影响不大。由图4-7可知，未加设垫板情况下屋面板右侧各节点横向侧移向右逐渐减小，在节点5之后，改造后的屋面板节点横向侧移值比改造前还小，说明此时屋面系统较原厂房受力不利，若不控制可能对屋面系统带来不良影响，甚至出现屋面板松动等严重影响。此时托架竖向扰度达到12.3mm，也与改造方案中计算的12mm一致，再次验证了本课题所建模的合理性。而加设垫板后屋面板水平位移整体向右均匀增加，说明屋面系统受力良好。由图4-8、4-9可知，在未加设垫板情况下，由于抽柱处竖向扰度加大，排架下弦各节点横向水平位移在改造后横向侧移变小，使得构件可能出现受力不利的情况。加设垫板后，厂房下弦各节点水平位移均匀增加，较原厂房屋盖整体性得到保证，越靠近抽柱处水平位移越大，说明横向刚度出现了一定削弱。总结：通过整体模型分析以及局部分块分析，得到了抽柱改造使得单层工业厂房的⑥轴排架横向水平位移增大，横向刚度出现一定程度的削弱，而且对未加设垫板的情况进行了分析，得到此情况下厂房屋盖将受力不利，而且会使得部分构件横向侧移过大，在厂房长期使用过程中可能出现问题，即从侧面反映出本厂房改造方案合理，虽然改造后厂房横向水平位移增大，但幅度很小，最大横向水平位移值满足规范要求。4.3.3.改造前、后⑤、⑦轴排架的有限元刚度分析从上文分析得到了⑥轴排架抽掉了右侧排架柱，导致排架右侧屋面板以及吊车荷载重新分布，传至相邻的⑤、⑦轴排架，从而内力增大，水平位移增大，所以抽柱改造方案中对⑤、⑦轴排架柱进行了加固，再提取在荷载标准组合下改造前后两排架的30 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析水平位移值归纳见表4-5和表4-6。改造后⑤、⑦轴排架向同一侧侧移，其中横向侧移最大值同样出现在上柱上节点位置，其值分别为19.19mm和19.20mm，相比改造前，其值分别降低了0.04mm和0.03mm。表4-5⑤轴排架改造前后各节点水平位移值（单位：mm）水平侧移水平侧移节点节点改造前未加固改造后改造前未加固改造后10.000.000.001613.1514.0913.09213.2714.0213.241712.9513.8712.9130.000.000.001813.1214.1013.0744.735.184.741915.1116.2615.0656.327.026.462018.7819.7818.67610.6811.5410.622114.6015.7414.54712.8313.6912.732217.3018.2417.26812.9113.9312.862315.0916.0014.7296.817.546.932419.2320.2019.191011.7212.6011.692514.1015.2414.021111.2112.0811.182613.1914.3113.17128.329.068.332713.6614.7913.601312.6413.5512.572812.6813.7712.671412.1713.0612.162912.8913.9912.871510.5711.3610.513012.7013.7612.66注：向右为正方向表4-6⑦轴排架改造前后各节点水平位移值（单位：mm）水平位移水平位移节点节点改造前未加固改造后改造前未加固改造后10.000.001613.0913.8613.00213.3113.9113.281712.8813.6312.8230.000.000.001813.0613.8612.9844.614.954.571915.0816.0515.0156.206.736.252018.7819.5918.68610.5911.2810.482114.5615.5214.48712.7713.4412.632217.2818.0417.24812.8513.6912.772315.0515.7814.6696.697.246.732419.2320.0119.201011.6412.3511.572514.0615.0113.951111.1311.8211.052613.1414.0713.08128.218.778.152713.6114.5513.5231 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析续表1312.5813.3112.472812.6213.5312.571412.1012.8212.052912.8313.7612.781510.4811.0910.363012.6413.5212.57注：向右为正方向为了更加清晰直观的观察各节点在改造前后的水平位移值，现将其⑤、⑦轴排架各节点的水平位移列图如下：25.00）20.00mm15.0010.00水平位移值（5.000.002456789101112131415161718192021222324252627282930节点编号改造前未加固改造后图4-10改造前、后⑤轴排架各节点水平位移25.00）20.00mm15.0010.00水平位移值（5.000.002456789101112131415161718192021222324252627282930节点编号改造前未加固改造后图4-11改造前、后⑦轴排架各节点水平位移从图可以看出，改造前、后厂房⑤、⑦轴排架在荷载标准组合作用下，各节点的水平位移趋势基本一致，刚度都没有发生突变，说明改造后单层工业厂房的屋盖整体刚度良好，但如果不加固两柱，厂房⑤、⑦轴排架各节点水平位移较改造前显著增加，说明⑤、⑦轴的刚度有了一定的削弱，形成了薄弱轴，这对厂房结构的整体受力不利。32 苏州科技学院硕士学位论文第四章单层厂房改造对结构刚度的影响分析所以本工程的加固方案通过加固B轴⑤、⑦轴柱子，从加固改造后的计算结果来看，加固效果显著，各节点水平位移都一定程度下降，较改造前有小幅度的降低（分别下降了0.04mm和0.03mm），⑤、⑦轴柱顶位移值分别为19.19mm和19.20mm，亦满足规范52.0mm（