既有廠房屋架原位試驗(yàn)與有限元分析

張 凱 王衛(wèi)軍 魯立三

（1黃河水利科學(xué)研究院； 2河南黃河河務(wù)局）

1 概況

為提升城市文化與創(chuàng)新空間，打造創(chuàng)意街區(qū)，某舊工業(yè)園區(qū)擬對(duì)既有廠房進(jìn)行加固改造，該單層廠房屋架為大跨度的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)，已使用近50 a。為避免拆除減少經(jīng)濟(jì)損失，在確保結(jié)構(gòu)安全前提下最大限度保留既有結(jié)構(gòu)，通過(guò)原位加載試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，綜合分析屋架單榀預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)受力及變形特性，驗(yàn)證其在設(shè)計(jì)荷載作用下承載力是否符合規(guī)范要求，以供后期技術(shù)改造工作參考。

2 試驗(yàn)對(duì)象選取

目標(biāo)廠房東西長(zhǎng)113 m，南北寬131 m，排架跨度18 m，排架柱間距6 m，南側(cè)6跨設(shè)屋頂天窗，北側(cè)1跨為鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，結(jié)合廠房結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀質(zhì)量檢測(cè)成果，原位試驗(yàn)對(duì)象選定為狀態(tài)較差的A-B/13軸屋架。該屋架為高天窗鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度為16.10 MPa，由于該屋架混凝土受到風(fēng)化作用，故考慮降低混凝土強(qiáng)度等級(jí)，經(jīng)修正混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C14，屋架梁均為矩形截面，下弦桿截面200 mm×190 mm，上弦桿截面200 mm×250 mm，天窗架截面200 mm×150 mm，單跨跨度18 m。試驗(yàn)加載桁架位置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)加載桁架位置圖

3 試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目及加載設(shè)計(jì)

鑒于本次試驗(yàn)為原位非破壞性驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)荷載依據(jù)廠房屋蓋結(jié)構(gòu)原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)荷載370 kg/m2計(jì)算，考慮目前屋蓋系統(tǒng)并沒(méi)有活荷載發(fā)生，故在原屋蓋系統(tǒng)靜荷載（屋蓋自重）不卸載的情況下，新增加荷載定為原設(shè)計(jì)活荷載70 kg/m2與15%原設(shè)計(jì)荷載之和，相當(dāng)于1.23 kN/m2。加載方式采用25 kg 標(biāo)準(zhǔn)砂袋進(jìn)行均布加載，逐級(jí)加載試驗(yàn)每級(jí)加載后的持荷時(shí)間應(yīng)不少于15 min，且每級(jí)加載后的持荷時(shí)間應(yīng)相等。持荷期間對(duì)荷載、位移、應(yīng)變、裂縫產(chǎn)生、變化等進(jìn)行觀測(cè)記錄，并檢查屋架梁是否存在斷裂、屈服等跡象。試驗(yàn)加載、卸載設(shè)計(jì)如表1所列。

表1 試驗(yàn)加載與卸載設(shè)計(jì)表

3.2 測(cè)點(diǎn)布置與有限元數(shù)值模擬

關(guān)鍵點(diǎn)位移測(cè)點(diǎn)布置包括：支座位置，下弦中點(diǎn)，下弦桿件節(jié)點(diǎn)，上弦桿件節(jié)點(diǎn)及天窗架沿跨度1/4 處等共計(jì)10 個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置包括：支座位置，下弦中點(diǎn)，下弦桿件節(jié)點(diǎn)，上弦跨中，上弦節(jié)點(diǎn)等共計(jì)10 個(gè)部位。其中應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)1～5，每個(gè)位置布置4個(gè)應(yīng)變片，分布在側(cè)面和底面。應(yīng)變測(cè)試點(diǎn)6～10，每個(gè)位置布置3個(gè)應(yīng)變片，分布在側(cè)面和底面。位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如2所示。

同時(shí)，為驗(yàn)證試驗(yàn)方案正確合理性，進(jìn)行了ANSYS數(shù)值模擬計(jì)算。由于缺乏預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)資料及實(shí)測(cè)資料，無(wú)法估計(jì)其目前預(yù)應(yīng)力鋼筋的效果，因此，數(shù)值計(jì)算中偏保守沒(méi)有考慮預(yù)應(yīng)力作用。計(jì)算時(shí)，取混凝土彈性模量Ec=2.15×104MPa，二級(jí)鋼筋彈性模量Es=2.00×105MPa。模型中，x方向?yàn)樗较蛴遥瑈方向?yàn)樨Q直向上，y 方向的位移為負(fù)，表示該點(diǎn)位移豎直向下。

圖2 位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

ANSYS有限元模型如圖3所示。

圖3 ANSYS有限元模型圖

4 原位試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值分析

4.1 撓度分析

試驗(yàn)榀預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)原位加載試驗(yàn)撓度測(cè)試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果，以及按照原屋面板設(shè)計(jì)靜荷載300 kg/m2，加載卸載與撓度變化量關(guān)系如圖4和圖5所示。

圖4 下弦節(jié)點(diǎn)處3、4號(hào)點(diǎn)荷載與撓度變化量關(guān)系圖

圖5 上弦節(jié)點(diǎn)處6、7、8號(hào)點(diǎn)荷載與撓度變化量關(guān)系圖

由圖4和圖5可以看出從工況1到工況7各關(guān)鍵點(diǎn)的撓度變化與荷載基本符合比例增降關(guān)系。同時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得該屋架在達(dá)到最大荷載4.17 kN/m2試驗(yàn)承載力極限狀態(tài)時(shí)，跨中總撓度試驗(yàn)值和計(jì)算值分別為12.01 mm和8.94 mm，原屋面板設(shè)計(jì)靜荷載工況下有限元計(jì)算屋架跨中撓度值為5.81 mm，均小于規(guī)范GB50010-2010第3.4.3條規(guī)定的撓度限值l0/400=45 mm。

4.2 應(yīng)變應(yīng)力分析

根據(jù)原位測(cè)試結(jié)果：1、2 號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)處于兩端支座位置，處于雙向受力狀態(tài)下，應(yīng)變變化較為復(fù)雜；3、4、5 號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)處于下弦桿上，總體上處于受拉狀態(tài)；其中5 號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)位于下弦跨中位置，該處的拉應(yīng)變的均值達(dá)到108×10-6，接近或達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變值，這樣說(shuō)明下弦桿在工況7作用下接近承載力極限狀態(tài)；6、7、8 號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)位于上弦拱上，總體上處于受壓狀態(tài)；9、10號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)位于豎向桿，總體狀態(tài)處于受壓狀態(tài)。應(yīng)變值為單向的應(yīng)變值，據(jù)此計(jì)算得到的應(yīng)力值為估算值，雖然不能得出實(shí)際的應(yīng)力值，但是可以判斷出該位置的受力狀態(tài)，即為可判斷處受拉或是受壓。有限元數(shù)值模擬的應(yīng)變結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)性較好，驗(yàn)證了原位加載試驗(yàn)的結(jié)論。

5 結(jié)論

通過(guò)選定屋架的設(shè)計(jì)荷載承載力原位試驗(yàn)，每級(jí)荷載加、卸載下均未見(jiàn)裂縫產(chǎn)生；加載過(guò)程中，每增加一級(jí)荷載，跨中撓度增量值較穩(wěn)定；卸載過(guò)程中，跨中撓度減量值較穩(wěn)定。試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生，結(jié)合有限元數(shù)值計(jì)算分析，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架仍處于彈性狀態(tài)下。本試驗(yàn)所測(cè)單榀預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土屋架結(jié)構(gòu)，在其屋面板受到近似均布荷載作用下，總荷載不超過(guò)4.17 kN/m2時(shí)，屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力和變形驗(yàn)證結(jié)果滿足GB50010-2010有關(guān)規(guī)定要求。