针对工程现场巡检中出现的厂房安全隐患问题,采用通用有限元软件SAP2000对厂房进行整体建模,通过仿真分析得到结构层面、构件层面的内力及变形情况,以进一步明确厂房的安全隐患,为结构加固及防止损伤扩大提供思路. 着重对本次重点检测的吊车梁、支承横梁、上柱及屋盖系统等构件进行分析,以期达到如下目的:
(1)明确破坏发生的顺序,判断梁托柱节点失效与上柱支承失效的先后关系;
(2)计算横梁BT-1区域的内力,分析造成节点破坏的真实原因;
(3)分析局部构件失效后,周边构件的应力重分布情况,找出可能造成连续倒塌的关键构件,并预测连续倒塌可能发生的部位.
2.1 有限元模型
厂房结构的三维模型见图6,排架柱、吊车梁、支撑等杆系构件均采用梁单元,吊车梁与格构式下柱间的连接采用link单元[9]. 柱间支撑、檩条、屋盖支撑、拉条两端按照铰接考虑; 支承横梁两端与吊车梁连接以及上柱与支承横梁间采用铰接约束,因采用角焊缝围焊,还需约束转动自由度,下柱柱底采用固接约束[10].
图6 厂房结构三维模型
Fig.6 3D model of factory structure
2.2 荷载与荷载组合
荷载取值主要包括:(1)屋面恒荷载:统计结构材料的自重,取值为0.15 kN/m2,以檩条上线荷载方式施加;(2)屋面活荷载:按照竣工图取值为0.5 kN/m2,以檩条上线荷载方式施加;(3)吊车荷载:参照B轴上柱失效特点,选择在B列25~28轴间(57.5 m跨度)吊车梁上施加吊车荷载. AB跨和DB跨天车主钩下方均设置有长度大于40 m的桁架式吸盘,不存在两台天车运行至同一跨间的情况,因此该两跨25~28轴间吊车梁均只需考虑一台吊车荷载. 轮压数值、轮压位置按照该轴间吊车梁产生最大弯矩的位置定位.
荷载组合主要考虑:(1)标准组合,主要用以计算吊车梁、横梁BT-1的变形量;(2)设计组合,主要用来计算吊车梁、横梁BT-1的内力值,分析杆件的应力水平;(3)倒塌分析组合,参考《建筑结构抗倒塌设计规范》[7](CECS392:2014)中公式6.28-2灾变状态下作用效应组合公式. 《建筑结构荷载规范》[11](GB50009—2012)中的表5.3.1推荐屋面活荷载准永久值系数为0.5; 该厂房屋面无积灰、无其它明显活荷载,且受荷面积较大,如完全按照规范取值,后续分析将会失真,因此结合实际情况,倒塌分析时准永久值系数按照0.0取值,即不考虑屋面活荷载.
2.3 上柱失效后的结构连续倒塌分析
现场检测发现,B列25-28轴间3根上柱柱脚下陷明显、丧失承载能力,屋盖在该列失去支承点,造成厂房屋盖部分发生大幅度下挠. 根据现场统计情况,设定B轴/25~28轴间吊车梁间的下支承横梁CP-1、CP-2和CP-3依次失效,如图7所示.
图7 B轴/25~28轴间扁担梁及转换柱
Fig.7 Pole beam and transition columns at B/25~26 axles
倒塌分析采用拆除构件法,即假定三根上柱依次失效、退出承重系统. 整体结构在竖向荷载作用(继承第一步的变形和内力)的基础上,采用生死单元法依次取消CP-1、CP-2和CP-3等上柱(顺序根据横梁BT-1受荷面积决定),共计三步,每步积分时长1 s,步长0.1 s,进行倒塌仿真过程模拟. 相关模拟过程的分析结果如下:
(1)施加重力荷载后依次拆除CP-1、CP-2和CP-3,上柱支承拆除前后的整体屋盖竖向变形云图对比可分别见如图8与图9所示. 屋盖发生显著的竖向位移,其中B轴发生最大竖向变形,相比原完好结构最大变形值增加约6倍,变形达到-468 mm. A~D轴总宽度为75 m,计算挠度跨比为1/168,超过限值要求. 而屋盖的纵向(X向)、横向(Y向)水平位移变化不明显,未超过限值.
(2)变形较大区域的屋盖应力分析对比如图 10所示. B轴上柱退出工作后,A~D轴区间的26、27轴屋面主梁应力明显增大,主梁正应力S11最大值从40 MPa增加至230 MPa,增加约5倍. 该区域出现内力重分布,原作为抗侧构件的柱间支撑承担了部分原钢柱承担的竖向荷载,应力明显增加. 现场调查发现该处上柱柱间支撑出现严重的平面外屈曲变形. 原本由B列上柱支承的重力荷载同时也大部分传递至相邻的A列和D列柱,造成25~28轴对应的A和D列上柱应力值明显增加,如A列柱上柱从45 MPa增至240 MPa.
图8 上柱支承完好时竖向位移云图(mm)
Fig.8 Vertical displacement of structure with vertical supported upper columns(mm)
图9 CP-1~3上柱支承全部拆除后竖向位移云图(mm)
Fig.9 Vertical displacement of structure with removal of Cp-1~3 upper columns(mm)
图 10 25~28轴间区域梁柱部分应力云图对比(MPa)
Fig.10 Comparison of stress of beams and columns in the area between 25~28 axles
整体模型受力分析表明:当B列25~28轴间大跨度吊车梁支承的上柱失效后,B列处屋面主梁的竖向位移显著增大,相邻的A列、D列上柱应力值也增加明显,上述变化均可能引起屋面整体垮塌.
2.4 整体模型中支承横梁构件分析
因B列25~28轴间上柱已经失效,梁托柱节点破坏明显,故对此区域支承横梁BT-1的内力进行重点分析,采用荷载设计组合对B轴25~28轴间的支承横梁进行剪力计算,见表1. 不同设计组合下的剪力相差很小,说明吊车运行(或单侧运行)对支承横梁剪力影响很小,剪力主要由屋盖系统的恒、活载产生. 支承横梁与吊车梁间的焊缝强度满足要求,说明节点焊缝开裂并非由承载能力不足引起.
表1 支承横梁梁端剪力最大值/kN
Tab.1 Maximum shear force at the end of supporting beam/kN
吊车梁虽然制作时会考虑起拱,但由于其跨度大,荷载施加后跨中绝对挠度仍然较大. B轴25~28轴间吊车梁跨度为57.5 m,在BD跨,将吊车荷载分别施加在最不利位置时,得BD跨吊车梁的挠度为27.4 mm; AB跨吊车梁的挠度为22.8 mm. 现场采用三维扫描技术测试和数字重构技术测试得到的BD跨25~28轴间吊车梁本体竖向最大位移为25 mm,与该仿真模拟偏差为8.76%,偏差在10%以内,偏差原因可能为:有限元分析采用吊车最大轮压出现在最不利位置得出吊车梁挠度,实际中吊车可能并未达到最大轮压. 通过有限元仿真结果与现场三维扫描结果对比,印证了有限元模型的准确.
支承横梁大致位于吊车梁的四等分位置,BD跨、AB跨天车单独运行在25~28轴间吊车梁的概率,要远大于双侧同时运行的概率. 单侧运行天车会在支承横梁两端部产生较大变形差(见表2).
表2 支承横梁两端竖向变形
Tab.2 Vertical deformations of supporting beam at two ends
在标准组合2时,支承横梁两端最大竖向变形差达到30.90 mm,梁计算跨度为3 000 mm,因此支承横梁转角为1/97; 标准组合3时,支承横梁最大竖向变形差为25.82 mm,转角为1/116. 说明吊车荷载单侧作用时,支承横梁发生了明显的转动变形,较大的转角变形导致节点处焊缝易出现开裂.
根据整体有限元模型分析结果,得出了如下结论:
(1)破坏首先发生在梁托柱节点,AB跨、BD跨仅有一侧吊车作用时,虽吊车梁挠度满足规范限值,但支承横梁BT-1与两侧吊车梁间存在较大的变形差与转角变形. 横梁与两侧吊车梁间采用角焊缝限制转动,变形易造成焊缝破坏;
(2)梁托柱节点破坏后,上柱下沉,随之丧失原有承载力,并造成结构内力重分布,周边屋面主梁位移及应力增大约6倍,挠度超限; 相邻列上柱应力增大约5.3倍. 超出一般设计保留的富裕度,屋面连续倒塌的风险很大.