混凝土屋架現(xiàn)有承載力的兩種判斷方法

楊 斌 劉禮華 魏曉斌

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

混凝土屋架現(xiàn)有承載力的兩種判斷方法

楊 斌1劉禮華2魏曉斌2

(1.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

以百瑞景中央生活區(qū)403會(huì)所屋架改造工程為例，對混凝土屋架現(xiàn)有承載力判斷的兩種近似方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以更好地對混凝土屋架的現(xiàn)有承載力作出判斷，同時(shí)為類似工程提供了參考借鑒。

混凝土屋架，承載力，檢測，判斷，有限元

0 引言

結(jié)構(gòu)現(xiàn)有承載力的判斷是結(jié)構(gòu)加固的基礎(chǔ)，只有對結(jié)構(gòu)現(xiàn)有承載力作出準(zhǔn)確的判斷，才能做出合理的加固設(shè)計(jì)?；炷廖菁艿某休d力判斷一直是結(jié)構(gòu)檢測工作中的難題，現(xiàn)行規(guī)范中沒有明確的方法規(guī)定[1-3]。本文以百瑞景中央生活區(qū)403會(huì)所屋架改造為例，介紹混凝土屋架現(xiàn)有承載力的兩種判斷方法。

1 屋架承載力檢測判斷

選擇具有代表性的3榀中間屋架進(jìn)行檢測，按照原建筑的現(xiàn)場編號，選擇南3、南5和北11 3榀屋架。如果檢測結(jié)果所反映的真實(shí)情況與預(yù)想有較大差異，再隨機(jī)選擇1榀中屋架進(jìn)行檢測并比較結(jié)果?？紤]到端屋架與山墻相連，不便于檢測，且端屋架只承受中間屋架一半的荷載，故不對端屋架進(jìn)行檢測。

在每榀屋架兩端之間拉水平線測量其初始撓度。在屋架跨中兩側(cè)固定懸挑鋼梁，鋼梁須具有足夠的剛度，懸挑1 m，鋼梁端部分別用鋼絲吊一鉛球和一帶刻度鋼尺。鉛球的下表面與百分表?xiàng)U接觸，并調(diào)整讀數(shù)盤讀數(shù)為0。百分表豎桿下平放一銀鏡，便于讀數(shù)。接近鋼尺安放一水準(zhǔn)尺，讀取鋼尺下降高度，如圖1所示。采用百分表和鋼尺兩個(gè)讀數(shù)系統(tǒng)是為了避免堆載影響讀數(shù)視線，百分表測量最為精確，在不影響視線的情況下以百分表讀數(shù)為準(zhǔn)。

在加載平臺上堆置沙袋，屋架發(fā)生撓動(dòng)。理論上，當(dāng)屋架撓度(初始撓度+百分表讀數(shù)或鋼尺讀數(shù))達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范中允許的最大撓度時(shí)，稱量沙袋的總重量加屋面和桁架恒載，即近似看作屋架的極限承載力(這里用剛度指標(biāo)度量承載力，故只能算作近似)。由于實(shí)驗(yàn)為非破壞性，初始設(shè)計(jì)也可能留有較大余度，再加上實(shí)驗(yàn)中撓度較大會(huì)使混凝土屋架開裂過多，故不一定需要知道極限承載力，只需知道結(jié)構(gòu)是否能滿足荷載要求。若以設(shè)計(jì)單位提供的屋面改造設(shè)計(jì)荷載8 kN/m2(《百瑞景403會(huì)所結(jié)構(gòu)檢測任務(wù)答疑》)為堆載目標(biāo)，逐級加載至該值時(shí)屋架撓度小于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的限值，則認(rèn)為屋架承載力合格，不需補(bǔ)強(qiáng)。也可能原結(jié)構(gòu)已被使用多年，或原設(shè)計(jì)留有余度不大，桁架的承載力無法達(dá)到改造設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)值要求，如果加載至改造設(shè)計(jì)值可能會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，故設(shè)定一個(gè)撓度限值，即原始設(shè)計(jì)荷載作用下驗(yàn)算的撓度值(原始設(shè)計(jì)時(shí)已考慮為最大)，當(dāng)桁架的總撓度達(dá)到該限值時(shí)停止加載，將對應(yīng)的荷載作為桁架的承載能力，與改造設(shè)計(jì)期望相差的承載力部分由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。據(jù)此，對結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行鑒定，改造設(shè)計(jì)超出的荷載全部由加固承擔(dān)。

以某1榀屋架為例，屋架最大撓度控制值32 mm，系原始設(shè)計(jì)荷載作用下驗(yàn)算的撓度值，檢測實(shí)驗(yàn)中是由有限元估算分析得到的。有限元分析中，混凝土采用Solid45單元，鋼筋用Link8單元，按照原設(shè)計(jì)屋面荷載2.97 kN/m2，計(jì)算得到屋架的最大撓度為32 mm，如圖2所示。經(jīng)檢測，屋架在現(xiàn)有荷載作用下的初始撓度為18 mm，因此新增撓度控制在14 mm。在加載平臺上用沙袋堆載，使屋架新增14 mm的撓度，稱量沙袋堆載總重，即屋架能繼續(xù)加載的余度(注意，將這個(gè)加載余度加上屋架、屋面板的實(shí)際自重，分?jǐn)偝晌菝姘迳系拿婧奢d，應(yīng)該小于原設(shè)計(jì)荷載2.97 kN/m2，原因是結(jié)構(gòu)經(jīng)過數(shù)十年的使用，承載力有所降低)。若改造設(shè)計(jì)荷載增量超過這一余度，則需對結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)。

更進(jìn)一步，為使原結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)過程中不產(chǎn)生新的實(shí)驗(yàn)裂縫，經(jīng)有限元計(jì)算原設(shè)計(jì)允許應(yīng)變，在桁架下弦底面粘貼應(yīng)變片控制實(shí)驗(yàn)加載過程中的拉應(yīng)變(C25混凝土控制拉應(yīng)力為ft=1.27 N/mm2，混凝土彈性模量Ec=2.8×104N/mm2，近似按彈性理論計(jì)算，混凝土的控制拉應(yīng)變?chǔ)舤y=45.36×10-6，扣除已產(chǎn)生的應(yīng)變約為5.0×10-6，混凝土的新增應(yīng)變，即應(yīng)變片應(yīng)變?chǔ)拧?0.36×10-6，限值取40×10-6)；同時(shí)，為了控制加載過程中混凝土不被壓碎，在第一、第二根上弦桿跨中處側(cè)面頂部粘貼應(yīng)變片控制實(shí)驗(yàn)加載過程中的壓應(yīng)變(C25混凝土控制壓應(yīng)力為fc=11.9 N/mm2，近似按彈性理論計(jì)算，混凝土的壓應(yīng)變極限εcy=-425×10-6，扣除已產(chǎn)生的應(yīng)變約為-380×10-6，混凝土的新增應(yīng)變，即應(yīng)變片應(yīng)變?chǔ)拧?45×10-6，限值取-45×10-6)。如果業(yè)主和設(shè)計(jì)單位要求繼續(xù)加載，要檢測出原設(shè)計(jì)的精確余度，混凝土的開裂不得超過裂縫的允許值0.2 mm。

應(yīng)變片的布置如圖3所示。

該項(xiàng)目改造設(shè)計(jì)屋面荷載為8 kN/m2，經(jīng)有限元計(jì)算，屋架的跨中最大撓度為76 mm，見圖4，已超過規(guī)范規(guī)定的最大允許值60 mm和實(shí)驗(yàn)屋架最大撓度控制值32 mm，顯然依靠屋架的承載力余度無法滿足，必須進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

本檢測可以提供兩項(xiàng)承載力指標(biāo)：一是桁架現(xiàn)有能增加承受的荷載，即原設(shè)計(jì)承載力的余度殘留值，供結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)參考；二是桁架的總承載力，即沙袋的總重量加屋面和桁架恒載。

2 屋架承載力推定判斷

除了采用檢測方法，還可以結(jié)合檢測結(jié)果和有限元仿真計(jì)算[4]對屋架的現(xiàn)有承載力進(jìn)行推定[5]。

通過有限元分析得知，當(dāng)荷載作用在屋架上弦時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在屋架跨中豎桿，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上弦桿，如圖5所示。不同載重情況下，控制點(diǎn)處的應(yīng)力見表1。

表1 不同加載重量下屋架控制點(diǎn)應(yīng)力

如表1所示，由于拉應(yīng)力的增速較快，較快地接近材料強(qiáng)度值，因此拉應(yīng)力為屋架的控制應(yīng)力。應(yīng)力σ與加載重量P近似成線性關(guān)系，對應(yīng)力和載重采用線性擬合，假設(shè)：

σ=p1×P+p2

(1)

利用最小二乘法對表1的數(shù)值進(jìn)行擬合，得出，p1=0.003 9，p2=1.033 4。

σ=0.003 9×P+1.033 4

(2)

屋架加載至極限狀態(tài)，C20混凝土拉應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(檢測實(shí)驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)值)1.54 MPa，由式(2)得屋架極限加載值為130 kN，還可在屋面板上承載1.2 kN/m2的均布荷載，可推定屋架現(xiàn)有承載力為395 kN。

3 結(jié)語

本文介紹了兩種得到混凝土屋架現(xiàn)有承載力的近似方法，鑒于我國現(xiàn)行的檢測技術(shù)規(guī)范對混凝土屋架承載力的判斷并沒有作出比較實(shí)質(zhì)可操作性的方法規(guī)定，本文的方法值得推廣和借鑒。

[1] 曹雙寅，邱洪興，王恒華.結(jié)構(gòu)可靠性鑒定與加固技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[2] 張 鑫，李安起，趙考重.建筑結(jié)構(gòu)鑒定與加固改造技術(shù)的進(jìn)展[J].工程力學(xué),2011,28(1):1.

[3] 袁慶華.建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定方法探討[J].建筑科學(xué)，2002,18(4)：32-33.

[4] 雙凱偉.鋼結(jié)構(gòu)屋架靜力有限元分析[J].山西建筑,2009,35(32):60-61.

[5] 劉禮華，楊 斌，陳尚建，等.某大型混凝土屋架現(xiàn)有承載力的一種判定方法[J].建筑結(jié)構(gòu),2012,42(2):105-107.

Two kinds of judging method of concrete roof truss’ existing bearing capacity

Yang Bin1Liu Lihua2Wei Xiaobin2

(1.HubeiWaterResourcesTechnicalCollege,Wuhan430070,China;2.SchoolofCivil&ArchitecturalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Taking Bairuijing central living community club No.403 roof truss transformation engineering as an example, the paper specifically introduces current two similar concrete roof truss bearing capacity identification methods, in order to make better judgment to the existing bearing capacity of concrete roof, with a view to better provide some guidance for similar engineering.

concrete roof truss, bearing capacity, detection, identification, finite element

2015-01-21

楊 斌(1978- )，男

1009-6825(2015)10-0036-02

TU311

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