大面积地面堆载作用下厂房结构安全性的评估.pdf

四川建筑科学研究Sichuan Building Science第33卷 第3期2007年6月收稿日期:2006203227作者简介:张伟平(1973-),男,浙江武义人,副教授,博士,主要从事既有结构性能评估与加固、混凝土结构耐久性方面的研究。E-mail:大面积地面堆载作用下厂房结构安全性的评估张伟平,顾祥林,陈 涛(同济大学,上海 200092)摘 要:厂房内大面积地面堆载作用下,柱下基础会产生附加不均匀沉降,柱子发生倾斜,从而在厂房结构上产生附加内力甚至危及结构安全。为确保结构安全,结合工程实例分析了大面积地面堆载对厂房结构的影响,介绍了该类厂房结构安全性的检测内容和评估方法。指出改变既有厂房用途时应估计大面积地面堆载对房屋结构的影响,对使用中该类房屋的性能评估时需通过最终沉降量计算判断地基沉降是否已趋于稳定,结构分析时应考虑不均匀沉降和基础转角的影响。关键词:大面积地面堆载;不均匀沉降;厂房结构;安全评估中图分类号:TU312+.3 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2007)03-0074-05Structural safety assess ment of an i ndustrial buildi ng under large2areaground loadingZHANGWeiping,GU Xianglin,CHEN Tao(TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:Under indoor large-area ground loading,additional uneven settlementsmay be induced,whichwill cause columns to inclinein industrial buildings.Finally,large additional internal forcesmay be applied in the structure and the safety of the structure will beendangered.The influence of large2area ground loading on the industrial building structure is analyzed by a detailed example,andinspection contents and the assessmentmethod for that industrial building structure are introduced.The adverse influence of large2areaground loading should be estimated before the function of existing industrial buildings is changed.In order to deter mine whether thesettlements tend to be stable,it is strongly suggested to compare the calculated and inspected value of the settlements of the building inuse due to large2area ground loading in the perfor mance assess ment.Most important of all,the influence of additional unevensettlements of footings of the building should be taken into account.Key words:large2area ground loading;uneven settlement;industrial building structure;safety assessment0 引 言在工业厂房中,经常遇到厂房室内地坪大面积堆载的情况,如冶金厂房轧钢、炼钢车间物料以及物流仓库集装箱、重型货物的堆放,火力发电厂和锅炉房的储煤棚等。由于设计时未考虑地坪堆载的不利影响,或者生产运营中对地面堆载问题重视不够以致随意增加地面荷载,引发了不少工程事故甚至使得厂房倒塌1。在软弱土地基上,大面积地面堆载作用下,除了产生地坪相对不均匀沉降、围护墙开裂外,柱下基础会产生附加相对不均匀沉降;若柱子两侧地面堆载不同,还将引起基础和柱子出现倾斜现象。由于地基相对不均匀沉降和基础转角位移作用,厂房结构将产生附加内力,甚至可能危及厂房结构的安全使用。为此,GB50007 建筑地基基础设计规范 中明确规定了大面积地面荷载作用下工业厂房天然地基沉降的计算方法和验算准则,并建议在条件允许的情况下采用桩基础。文献2 给出了厂房内大面积堆载时排架柱顶反力和地基附加变形计算方法,并通过实例就大面积地面堆载对厂房结构的影响进行了分析。对于桩基础,大面积地面堆载一方面会在桩身产生负摩阻力,增加桩的竖向荷载并产生不均匀沉降,另一方面土体发生水平侧移,使桩挠曲、水平变形,产生较大的弯矩,从而使上部结构失效甚至坍塌,文献324 对大面积地面堆载作用下桩基础的47力学性能进行了分析。已有成果为具有大面积地面堆载的拟建厂房的结构设计提供了技术支持,但有关由于改变既有厂房结构用途而大面积堆载时厂房结构性能评估方面文献不多。上海市宝山区某钢结构库房设计时未考虑大面积地面堆载,改作物流仓库后出现地坪沉陷和开裂、外墙开裂、钢柱倾斜、吊车啃轨等现象。本文以该厂房为例,在全面调查建筑结构、工程地质条件和地面荷载的基础上,通过比较地基相对不均匀沉降的实测值和计算值判断沉降是否已趋于稳定,检测钢柱倾斜率近似代替基础转角,最终考虑附加不均匀沉降和基础转角的影响对厂房结构的安全性进行综合评估,为类似工程问题的处理提供借鉴。1 工程背景1.1 建筑结构概况库房采用单层4跨轻钢结构,屋面和标高11400以上墙面均采用钢檩条、彩钢板系统。库房平面呈刀把型,边跨跨度为17 m,中跨跨度为24 m,长102 m,宽82 m,建筑面积为8065 m2,参见图1。钢柱柱脚标高为-0120,牛腿顶标高为7180,A轴、E轴柱顶标高为12100,B轴、D轴柱顶标高为131333,C轴柱顶标高为141733。钢柱采用250 mm500 mm12 mm8 mm焊接H型钢,24 m跨(17m跨)屋面梁由3段(2段)焊接H型钢通过高强螺栓拼接而成,中间段截面为250 mm450 mm12mm6 mm,边段截面为250 mm(450550)mm12 mm6 mm。BE轴钢柱的23轴间及各轴钢柱在67轴间、1213轴间、1617轴间设柱间支撑;钢屋盖系统中1617轴间、910轴间及AB跨的56轴间、BE跨的23轴间设屋面水平支 撑。各跨均设有载重30 t的吊车。钢梁、柱采用Q345钢,吊车梁采用Q2352B钢,其余构件采用Q235A钢。(内数值为所在区域地面荷载kN/m2;箭头表示倾斜方向,其附近数字表示倾斜率)图1 厂房建筑平面及地面堆载、钢柱倾斜情况Fig.1Architectural plan of the i ndustrial building andground loading,inclin i ng status of columns库房基础采用柱下钢筋混凝土独立基础,基础埋深为-1125 m。A轴、E轴钢柱下独立基础平面尺寸为2200 mm3200 mm,C轴、D轴以及B-518轴钢柱下独立基础平面尺寸为2400 mm3400mm,B-14轴钢柱下独立基础平面尺寸为2600mm3800 mm,抗风柱下独立基础平面尺寸为1400mm2000 mm。1.2 工程地质概况钢结构库房所在场地属 类场地,库房地基土自地表往下各土层的厚度及主要物理力学性能详见表1。库房基础持力层为 1层即褐黄色粉质粘土层。表1 各土层厚度及主要物理性质、力学性质Table 1Physical and mechan ical properties of different layers of the soil层号土层名称层厚/m容重/(kN/m3)压缩系数s1-2/MPa-1压缩模量Es1-2/MPa地基承载力/kPa1填土0.92.5-2灰黑色浜填土0.21.2-1褐黄色粉质粘土1.01.819.10.325.751102灰黄色淤泥质粉质粘土0.31.017.70.426.08953灰色砂质粉土夹薄层淤泥质粉质粘土2.63.618.20.378.7990灰色淤泥质粉质粘土2.03.217.31.072.2080灰色淤泥质粘土7.58.917.01.132.1575暗绿和草黄色粉质粘土1.04.719.20.296.30-1草黄色砂质粉土5.56.618.30.258.03-2灰色砂质粉土2.04.918.40.248.22-灰色粉质粘土未穿18.00.613.36-572007No13张伟平,等:大面积地面堆载作用下厂房结构安全性的评估1.3 大面积堆载对厂房结构的宏观影响库房原设计用于一般性仓储,后改作物流仓库,用于堆放彩色涂层钢带、热浸渡锌钢卷/板、冷轧钢带/板等钢材。现场对地坪堆载范围进行定位,然后根据现场堆放的钢材品种、单位重量、堆放层数以及占地面积等对地坪堆载情况进行统计,调查结果详见图1。除厂房东侧各跨入口处装卸区外,库房各跨基本满布钢材,堆载区域离1轴、5轴、18轴横墙近似为3 m,离各纵向轴线近似为115 m。AB跨地坪平均堆载为75 kN/m2,堆载范围约72 m14 m;BC跨地坪堆载在40120 kN/m2间,平均73 kN/m2,堆载面积约96 m22 m;CD跨地坪平均堆载为73 kN/m2,堆载面积约96 m22 m;DE跨地坪堆载在997 kN/m2之间,平均57 kN/m2,堆载面积约96 m14 m。在大面积地面堆载作用下,地坪呈锅状沉陷并伴有开裂现象,钢柱发生明显不均匀沉降和倾斜以致吊车啃轨、部分柱间支撑挤压变形。为正确评价厂房结构安全性和使用性,在调查地面荷载的基础上,对柱脚基础相对不均匀沉降进行了检测,并与计算值进行比较以判断附加沉降是否趋于稳定;同时全面检测钢柱倾斜率近似代替基础转角位移;最后考虑附加相对不均匀沉降和基础转角位移的影响,对厂房结构进行了计算分析。2柱脚相对不均匀沉降的检测与计算2.1 柱脚相对不均匀沉降的检测采用SOKKI A C40型水准仪对柱脚基础相对不均匀沉降进行了检测,然后在每一榀横向钢框架跨中部位增设测点,检测跨中地坪相对于相邻钢柱的沉降量,检测结果见图2。图3给出了厂房部分轴线钢柱柱脚的相对不均匀沉降实测结果。从图2可以看出,厂房边轴线位置沉降小、厂房中间地坪沉降大,其中18-E钢柱沉降最小,CD跨地坪沉降最大;沉降最大处(9轴CD跨中地坪)相对18-E柱沉降了516 mm。从图3可以看出,厂房纵向均表现为中间沉降大、两端沉降小的规律,其中D轴沉降差最大,C轴、E轴次之,B轴、A轴相对较小;BE轴多数相邻基础和A轴部分相邻基础的沉降差超过上海市工程建设规范DGJ08-11-1999 地基基础设计规范 关于同类建筑结构沉降差的限值(01003l=18 mm)。从图4可以看出,厂房横图2 厂房地坪相对不均匀沉降实测结果Fig.2M easured uneven ground settlements of theindustrial building向也表现为中间沉降大、两端沉降小的规律,且各跨跨中地坪相对于相邻钢柱基础又有所下沉,如12轴CD跨的跨中部位地坪的沉降值比12-C钢柱、12-D钢柱基础沉降值的平均值大38 mm。图3 厂房AE轴钢柱柱脚相对不均匀沉降实测结果Fig.3M easured uneven settlements of steel columnsalong AE axis图4 厂房12轴钢柱柱脚相对不均匀沉降实测值和计算值Fig.4M easured and calculated uneven settlements ofsteel columns along No.12 axis67 四川建筑科学研究第33卷 2.2 钢柱基础最终沉降量的计算按照表1所示各土层厚度及其物理力学参数,考虑相邻地面堆载的附加作用,采用分层叠加法和角点法计算各轴钢柱基础的最终沉降量,表2给出了其中12轴、C轴部分钢柱的最终沉降量。计算时,BC跨、CE跨地面堆载大小不一,近似取其平均堆载值;考虑到装卸区载重车辆进出频繁,堆载区域按照完整的矩形考虑。从表2可以看出,在地面大面积堆载作用下,钢柱的附加最终沉降量将达400mm左右,超过上海市工程建设规范DGJ08-11-1999 地基基础设计规范 关于同类建筑结构基础中心计算沉降量的限值(200250 mm)。根据12轴、C轴钢柱最终沉降量的计算结果,经过整理获得其相对不均匀沉降结果,详见图3、图4。从图中可以看出,实测不均匀沉降的变化规律和计算结果基本相同,但实测值小于计算值,说明在现有地面堆载作用下钢柱基础的沉降将继续发展。表212轴、C轴部分钢柱基础中心最终沉降量计算结果Table 2Calculation results of fi nal settlements for steel columns along No.12 and C axis/mm钢柱12-E12-D12-C12-B12-A1-C6-C9-C12-C18-C沉降176.7349.9399.8216.147.119.8395.7400.9399.822.93 钢柱倾斜情况的检测采用SET2110R型电子全站仪对钢柱的倾斜情况进行了普测。实测结果详见图1。从图中可以看出,从厂房横向看,厂房A轴、B轴钢柱基本向北倾斜011216,D轴、E轴基本向南倾斜011310,C轴有向北倾斜011210 的,也有向南倾斜013110 的,表现出两端钢柱向中间倾斜的规律,与厂房横向“中间低、两端高”的实测相对不均匀沉降规律相符;从厂房纵向看,厂房钢柱基本表现为两端钢柱向中间倾斜的规律,倾斜率在013419 之间,也与厂房纵向“中间低、两端高”的实测相对不均匀沉降规律相符。4 厂房结构安全性的计算分析按照3级平面刚架、7度抗震设防、类场地、近震情况,不考虑地基液化可能性,采用中国建筑科学研究院结构研究所PKPM系列的STS计算软件,对库房主要构件进行了承载力验算。计算分2种工况:工况1考虑竖向荷载(恒荷载、活荷载)、风荷载、地震作用的组合作用,工况2同时考虑支座位移的作用,即考虑地基相对不均匀沉降和支座转角的作用,地基相对不均匀沉降取实测值,支座转角取钢柱的实测竖向倾斜率。计算时,梁柱轴线尺寸、截面尺寸、材料强度均取设计值。屋面活荷载取013kN/m2,基本风压取0155 kN/m2,并考虑各跨30 t吊车荷载的组合作用。表3,4给出了其中12轴平面刚架的计算结果,表中k为钢梁钢柱上下翼缘、腹板最大应力与屈服强度之比,为平面内稳定应力。计算结果表明,基础附加不均匀沉降和转角位移对结构内力的影响不容忽视:不考虑支座位移作用下,钢梁钢柱应力比均小于1,即翼缘、腹板的最大应力均小于其屈服强度,平面内稳定应力均小于345 MPa;考虑支座位移作用下,钢梁钢柱应力比有所增大,中跨左段、右段的应力比超过019,但仍小于1;钢梁钢柱平面内稳定应力有所增大,但仍小于345 MPa。由此说明,在现有荷载以及地基沉降、转角位移作用下尚能满足结构安全。若地基沉降进一步发展,或地面堆载进一步增大,钢梁钢柱将不能满足安全使用的要求。为此,在后续使用过程中应减小地面荷载,对已经发生挤压变形的柱间支撑需进行替换处理。钢柱南北向的倾斜会引起吊车轨道偏离吊车梁中心从而产生扭矩,钢柱纵向的不均匀沉降会造成吊车啃轨,严重处将引起吊车梁发生变形或不满足承载力要求,对倾斜较大的钢柱需通过调整吊车梁与牛腿连接螺栓降低吊车轨道偏心率,且严格限制吊车荷载。表312轴屋面钢梁内力的计算结果Table 3Calculation results of internal forces for steelbeam s along No.12 axis边跨(AB或DE跨)框架梁中跨(BC或CD跨)框架梁左段右段左段中段右段kkkkk工况1 0.33900.692850.882290.501470.93254工况2 0.411160.773030.912370.521550.95265表412轴钢柱内力的计算结果Table 4Calculation results of i nternal forces for steelcolumns along No.12 axis12-A柱或12-E柱12-B柱或12-D柱12-C柱上柱下柱上柱下柱上柱下柱kkkkkk工况1 0.36 110 0.59 246 0.44 131 0.63 218 0.43 128 0.58 218工况2 0.44 154 0.63 260 0.48 145 0.65 224 0.47 142 0.60 224772007No13张伟平,等:大面积地面堆载作用下厂房结构安全性的评估5结 论厂房内大面积地面堆载作用下,钢柱柱脚基础产生“中间沉降大、两端沉降”的附加不均匀沉降,而且钢柱基础产生向厂房中间倾斜的转角位移,大面积地面堆载作用对厂房结构安全性和使用性的影响不容忽视。既有厂房改作为大面积地面重载的仓储库房之前,应对地面重型荷载对厂房结构的影响作深入分析和评估。使用中该类厂房结构安全性和使用性评估时,首先应调查地面荷载并计算最终沉降量,通过与实测值比较以判断附加沉降是否已趋于稳定,最终结构计算时必须考虑地面堆载引起的基础附加不均匀沉降和转角位移所产生的附加应力。参 考 文 献:1 杨 敏,朱碧堂,陈福全.堆载引起某厂房坍塌事故的初步分析J.岩土工程学报,2002,24(4):4462450.2 冯月英.厂房内大面积堆载对厂房结构的影响J.吉林冶金,1995(2):34236.3 解家毕,刘祖德,刘小文.大面积堆载下桩基础的力学特性分析J.武汉大学学报,2004,37(3):57260,65.4 刘 刚.地面堆载下桩与土体相互作用分析J.建筑技术开发,2002,29(12):22224.(上接第73页)适用于钙质混凝土,其他公式没有说明适用的混凝土类型。图45种残余强度公式曲线对比Fig.4The comparison of five ki nds of residual strengthequations4 结 论通过本试验的介绍和数据的对比可以看到,在上述的几种高温(火灾)后混凝土残余强度公式中,朱伯龙、陆洲导与阎继红所提出的公式与试验结果的一致性较好,所以笔者认为在火灾后结构混凝土残余强度的检测中,用这2个公式进行结果的检验可靠性相对高一些。但由于本问题的复杂性高和受影响因素多,很多方面还有待研究,本文只是提供给工程人员一个参考,具体实际问题应具体分析。参 考 文 献:1 同济大学工程结构研究所.工程结构性能研究报告 R.上海:同济大学,1990.2 过镇海,时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算M.北京:清华大学出版社,2003.3 阎继红.高温作用下混凝土材料性能试验研究及框架结构性能分析D.天津:天津大学,2001.4 阎慧群.高温(火灾)作用后混凝土材料力学性能研究D.成都:四川大学,2004.5 徐 U,徐志胜,朱 玛.高温作用后混凝土强度与变形试验研究J.长沙铁道学院学报,2000,(2).87 四川建筑科学研究第33卷