在役建筑结构加固后的失效概率分析.pdf

李伟 等 在役建筑结构加 固后 的失效概率分析 4 9 DO I 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． c n k i ． d w j z ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 1 9 在役 建筑 结构加 固后 的失效概 率分析 李伟 ， 刘思 民， 张世凯 哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院 ， 哈尔滨1 5 0 0 0 1 【 摘要】 以一根柱和一跨梁为例， 采用蒙特卡洛法， 将混凝土和钢筋的密度、 泊松比、 弹性模量作为可靠性 分析的随机变量， 以混凝土单元应变作为柱的可靠度分析指标， 以裂缝宽度作为梁可靠度分析指标 ， 对加固前后 的构件进行可靠度分析。分析结果表明， 该加固方案可以保证结构可靠度。 【 关键词】 建筑结构加固； 可靠性分析； 蒙特卡洛法 ； A N S Y S 【 中图分类号】 T U 7 4 6 ． 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 5 0 8 - 0 0 4 9 一 o 4 在役建筑 的改造加固往往会面临加固改造方案 是否合理 、 加固后的建筑是否安全等问题， 故需要对 其进行可靠性分析。目前常用 的可靠性分析方法有 数值积分法和一次二阶矩阵法等等。但是 由于实际 工程 中结 构 的复 杂性 ， 上 述 方 法 不 能很 好 的解 决 问 题。蒙特卡洛法和响应面法是常用于解决结构复杂 问题的方法。蒙特卡洛法是通过数值模拟的方法来 分析工程结构的可靠性， 文 中以一根柱 和一跨梁为 例 ， 通过 A N S Y S 有限元软件 ， 考虑钢筋混凝土粘结， 建 立分离式模型， 运用蒙特卡洛法对加固前后的构件进 行可靠度分析。 1 工程概 述 某三层钢筋混凝土框架结构在抽柱改造后 ， 根据 S A T WE对结构拟改造前后计算的结果以及相关规 范 ， 对其薄弱构件进行加 固。其中薄弱柱的加 固采用外 包角钢法， 以其中一根柱为例， 加 固方法见图 1 ， 角钢 与原柱之间注入改性环氧树脂胶黏剂， 角钢采用 L 7 5 X 7 55。其中薄弱梁的加固采用粘贴钢板加固法， 以其中一跨梁为例 ， 加固方法见 图2 ， 粘 2层 3 m m厚 3 0 0 m m宽 Q 2 3 5钢 ， 延伸 1 4 0 0 m m。 2结构可 靠性分 析的功 能函数 考虑到本结构可靠性分析 中的随机变量服从正 态分布， 蒙特卡洛法中结构的失效概率可表示为 P { }-{ }- { 一}f P Z 0 P 0 P ／ x_ _ Ez Z Z Z 1 竖 向均布 加载 。模拟 分 析得 到 的拱结 构破 坏 时 的应 力云图如图7所示。从图中可以看出， 矢跨 比对于结 构破坏位置 的分布 没有影 响 ， 结构 的破坏位 置均集 中 于拱顶 、 1 ／ 4跨 及 柱脚 位置 。因此 既有塑 料 大棚结 构 的防护工作应对结构 的拱顶 、 1 ／ 4跨 和柱脚处加强 。 5结语 1 钢拱单栋塑料大棚初始缺陷数值的大小不 应大 于拱结构 的整体平面弯 曲偏 差的 L ／ 2 5 0 0 。 2 钢拱单栋塑料大棚拱 结构 的极 限承 载力随 着矢跨比的增加而增加， 最优矢跨 比在 0 ． 3左右。其 极 限承载力 随着长 细比的增加而减小 。 3 钢拱单栋塑料大棚在竖 向均 布荷载下 的破 坏位置集中于拱顶 、 拱肩及柱脚处 ， 在既有塑料大棚 的防护工作中应对其进行加强。 参考文献 [ 1 ] J G J ／ T 2 4 9 2 0 1 1 ， 拱形钢结构技术规程 [ S ] ． [ 2 ] 梁宗敏， 吴德让， 李保明．满应力优化在连栋温室结构中的 应用[ J ] ．中国农业大学学报， 2 0 0 2 ， 7 2 8 3 8 8 ． [ 3 ] 沈正炳 ，黄文彬 ．多联栋温室框架结构 的弹塑性计算 [ J ] ． 农 业工程学报 ， 2 0 0 0， 6 2 1 0 51 0 8 ． [ 4] 周长吉 ．日光温室优 化设计 及综合配 套技术 二 采光性 能 研究及计 算 机模 拟 程 序 的研 制 [ J ] ．农 村现 代 工程 技 术 ， 1 9 9 9 ， 2 7 7 ． [ 5 ] 蒋秀根 ， 剧锦三 ，张丽莉．考 虑桁架 刚度 的温室结 构风 载效 应分 析方法 [ J ] ．中国农业大学学报 ， 2 0 0 5， 1 0 6 7 07 4 ． [ 6 ] 王笃利 ， 陈青云， 曲梅． 温室基本风压取值方法探讨 [ J ] ． 农 业工程学报 ， 2 0 0 5， 2 1 1 1 1 7 1 1 7 4 ． [ 7] 齐飞 ， 童根树 ．连栋温室钢结构框 架稳 定设计方法 [ J ] ． 农 业 工程学报 ， 2 0 0 9， 2 5 9 2 0 2 2 0 9 ． [ 8 ] 剧锦 三．拱结构的稳定性研 究 [ D] ．北京 清华 大学 ， 2 0 0 1 ． [ 9] 郭彦林 ，窦超 ．我 国拱形 钢结 构设 计 理论 研究 现状 与展 望 [ J ] ．建筑结构学报 ， 2 0 1 2， 3 3 7 11 7 2 6 ． [ 1 0 ] 葛家琪， 张国军， 王树 ， 等． 2 0 0 8 奥运会羽毛球馆弦支穹顶 结构整体稳定性能分析 研究 [ J ] ．建筑结 构学报 ，2 0 0 7， 2 8 6 2 23 0 ． [ 收稿 日期] 2 0 1 5 0 61 7 [ 作者简介] 解恒燕 1 9 7 3一 ， 女 ， 山东 巨野人 ， 博士 ， 副教授 ， 研究方 向 结构 工程 、 农 业设施 防灾减 灾及 防护 工程 。 低温建筑技术 2 0 1 5年第 8期 总第 2 0 6期 图l 柱加 固示意图 图2 梁加 固示意图 式中 ， ， 分别为 z正态分布 的均值和标准差 。 将 z的正态分 布转 化为 标 准正态 分 布 N 0 ， 1 ， 令 卢 ／ o “ ， 则上式可写为 P ，P{ 丝 一 } 一 ／ 3 1一 卢 u Z 2 式 中， 为结构可靠性指标 。 3结构 可靠性分析指标 3 ． 1 柱的可靠性分析指标 文 中在进行柱 可靠度 分析 时 ， 以 s0 ． 0 0 2作 为 分析混凝土单元应变是否在可靠范围内的临界点。 3 ． 2 梁的可靠性 分析指标 文 中为 了实 现在 A N S Y S中较合 理 的计算 裂缝 宽 度， 参考了文献 [ 2 ] 提出的裂缝宽度理论计算方法。 平均裂缝宽度等于平均裂缝 间距范围内钢筋和混凝 土的平均受拉伸长之差 ， 引入钢筋应变不均匀系数 及 1一 0 ．8 5， 则平均裂缝宽度可 以表示 s sm 为 ∞ 0 ． 8 5 p e z 。根 据相 关研究 得 到钢 筋应 变不 均匀系数计算公式如下 f ∞ 1 ． 10 ． 6 5 3 Pt 式中， 为混凝土抗拉强度； P 。 为混凝土有效配 筋 率。 平均裂缝间距 z 的计算公式采用混凝土规范推 荐 的受 弯构件计算公式 Z 1 ． 9 c0 ． 0 8 4 Pte 计算 文 中模型 中 的梁 可得， 不均 匀系数 0 ． 7 8 9 ， 平均裂缝间距 2 1 4 2 ． 8 6 ra m。 依据 G B 5 0 0 1 02 0 1 0混凝 土结构设 计规 范表 3 ． 4 ． 5 ， 结构最大裂缝宽度限值为0 ． 2 m m， 可求得 1 ． 5 6 71 0～， 并以此作为梁可靠性分析指标。 4工程 结构可 靠性分 析的方法步骤 1 确定结构可靠性分析中的随机变量。文中 采用 的随 机变 量包 括混 凝土 密度 、 钢筋 密度 、 混凝 土 泊松 比、 钢筋泊松 比、 混凝 土弹性模量 、 钢筋弹性模 量 、 C 3 5混凝土压应力 。根据文献 [ 3 ] 、 [ 4 ] 、 [ 5 ] ， 以上 随机变量 的统 计 特性 如表 1所示 。在本 章 A N S Y S分 析 中， 软件分别通过 以下 函数生 成六种 随机变 量 的数 组 ， 用 以模拟 随机变量 对结构可靠 度的影响 。 表 1 随机变量统计特性 2 确定结构可靠性指 标。根 据文献 [ 6 ] ， 对 建 筑工程结构而言 ， 如果相应的可靠性指标 8在 2 ． 5～ 4 ． 0之间 ， 那 么就 可 以认 定结 构 较 安 全 、 安 全或 者 很 安全 。 3 对结构进行可靠性分析。 5 A N S Y S单元定义以及有限元分析的步骤 5 ． 1 单元 的定义 1 混凝土单元。混凝土单元采用 S o l i d 6 5单 元 。破坏准则选择改进 的 Wi l l i a m Wa r n k e 五参数破 坏准则 ， 由于文中所建柱模型为单轴轴心受压柱， 只 输入 3 ． O N ／ m m 和 3 0 N ／ m m 。 ， 其他 参数采用 A N S Y S的默认值。对梁 张开裂缝的剪切传递系数取 0 ． 5 ， 闭合裂缝的剪切传递系数取 1 ． 0 ； 对柱， 文中张开 裂缝的剪切传递系数取 0 ． 1 5 ， 闭合裂缝 的剪切传递系 数取 1 ． 0 。 2 钢筋单元 。钢 筋单元 采用 L i n k 8单 元模拟 钢筋 。 3 角钢 和 钢 板单 元 。用 于加 固的 角钢 选 用 S O L I D 4 5单元 ， 角钢与混凝土之间通过环 氧树脂 粘结 ， 可 以不考虑它们之 间的错动 ， 从而保证 两者 之 间位移 协调 。 4 粘结单 元 。选择 C o m b i n e 3 9单元 作 为钢筋 与混凝土之间的粘结单元。在建立分离式钢筋混凝 土模型时， 在对应的混凝土单元和钢筋单元节点之 间， 分别在沿粘结单元的方向和垂直粘结单元方 向设 置 2个 C o m b i n e 3 9弹簧单 元。 在定义 C o m b i n e 3 9单 元 的时候 ， A N S Y S要 求输 入