鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估

李佳興，百世健，高振軒

（中國建筑第二工程局有限公司，北京 100070）

在建筑和土建工程中，鋼筋混凝土材料是常用的材料之一。在建筑物上部結(jié)構(gòu)中，主梁支撐各種荷載，并將其傳遞到墩和臺上，因此，除了承壓外，還要承受建筑物上部結(jié)構(gòu)的全部重量和應(yīng)力。在承載力超過主梁正截面受力極限時，主梁可能發(fā)生開裂、折損等故障，甚至發(fā)生房屋倒塌。

采用正截面承載力可靠度評價方法，可合理制定相應(yīng)的加固方案，及時發(fā)現(xiàn)人為因素造成的問題，并可為鋼筋混凝土建筑主梁力學(xué)參數(shù)的反饋分析提供依據(jù)。對于正截面承載力可靠性評價，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了較長時間的應(yīng)用研究，取得了一定的研究成果。但現(xiàn)階段所采用的鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估方法和評價設(shè)備存在評價時延現(xiàn)象，容易產(chǎn)生評價卡頓和阻塞問題。因此以實(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載能力的精確評估為目的，同時間接保障主梁的安全穩(wěn)定性。

1 可靠性評估方法設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估方法的實(shí)現(xiàn)需要依靠一定的評估設(shè)備，傳統(tǒng)的評估設(shè)備存在延時、靈敏度的問題，因此需要優(yōu)化設(shè)計(jì)使用的評估設(shè)備，方便對主梁正截面的承載力進(jìn)行受力分析。確定可靠性評估的指標(biāo)和測點(diǎn)，并將設(shè)計(jì)完成的評估設(shè)備安裝在指定的位置上。利用評估到的指標(biāo)參數(shù)計(jì)算鋼筋混凝土建筑主梁正截面的實(shí)時承載力，判斷當(dāng)前承載力與承載極限的關(guān)系，從而得出評估預(yù)警結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估。

1.1 優(yōu)化改裝評估設(shè)備

一般的承載力評估設(shè)備包括顯示器、重力傳感器、電阻式應(yīng)變片傳感器、信號采集設(shè)備以及無線通信芯片等。為了提高評估設(shè)備靈敏度和準(zhǔn)確度，首先需要優(yōu)化評估設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)果如圖1所示。

除此之外，還需要優(yōu)化傳感器硬件元件的性能。一般情況下重力傳感器和電阻式應(yīng)變片傳感器的工作原理都是通過半導(dǎo)體物質(zhì)構(gòu)成的核心圓形截面金屬線，當(dāng)存在外力施加在主梁正截面上時，應(yīng)變片粘貼會因?yàn)槭艿截?fù)載的重力作用而發(fā)生形變，從而使得內(nèi)部的應(yīng)變片發(fā)生相應(yīng)的形變。根據(jù)應(yīng)變片材料的性能，使得傳感器內(nèi)部的金屬電阻值產(chǎn)生變化，從而反映在傳感器電流的輸出結(jié)果中。

圖1 評估設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果示意圖

在自重應(yīng)力平衡結(jié)果的情況下，計(jì)算鋼筋混凝土建筑主梁正截面的構(gòu)造應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力需要考慮到混凝土的強(qiáng)度以及建筑的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，也就是在無初始荷載情況下的承載力情況。將鋼筋混凝土主梁正截面放入建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中，正截面處于上部受拉且下部受壓的狀態(tài)。按照自重應(yīng)力的計(jì)算方法得出不同荷載程度的影響下承載力的波動情況，進(jìn)而得出荷載系數(shù) 和承載力之間的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分布情況如表1所示。

表1 荷載系數(shù)與承載力之間的關(guān)系

1.2 判斷承載力極限狀態(tài)

1.2.1 計(jì)算主梁正截面實(shí)時承載力

綜合鋼筋混凝土建筑主梁多個方面的承載力，得出主梁正截面實(shí)時承載力的計(jì)算結(jié)果。將使用評估設(shè)備得到的各個評估點(diǎn)的顯示數(shù)據(jù)之和記為SNm，同時將自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力和負(fù)載應(yīng)力的計(jì)算分析結(jié)果記為F0、Fs和Fl。那么主梁正截面的實(shí)時承載力結(jié)果可以通過公式1來計(jì)算。

由于評估設(shè)備得出的評估數(shù)據(jù)為實(shí)時數(shù)據(jù)，因此通過公式1得出的最終計(jì)算結(jié)果，也就是鋼筋混凝土建筑主梁正截面實(shí)時承載力。

1.2.2 更新承載極限值可靠性評估

受到鋼筋混凝土建筑主梁使用時間以及其他外界因素的影響，鋼筋混凝土建筑主梁正截面的承載能力會逐漸減少，因此需要根據(jù)主梁正截面的使用情況來更新其負(fù)載的極限值。承載極限值的更新頻率以天為單位，承載極限更新值的計(jì)算公式為

式中k0——主梁正截面的初始承載極限；

mp——折減系數(shù)；

tr——余量系數(shù)；

T——主梁使用的時間，天。

1.2.3 評估異常預(yù)警

比較計(jì)算出的主梁正截面實(shí)時承載力和承載極限值更新結(jié)果的大小關(guān)系，若比較結(jié)果為實(shí)時承載力大于承載極限，則立即通過評估設(shè)備中的異常預(yù)警元件實(shí)現(xiàn)報(bào)警，提示建筑項(xiàng)目存在安全隱患。若實(shí)時承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于承載極限，則啟動新一輪的評估循環(huán)，維持當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境和使用狀況。

通過多個步驟實(shí)現(xiàn)對鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估，同時通過對硬件設(shè)備以及軟件計(jì)算程序的優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)評估方法中存在的問題。這種評估方法不僅可以應(yīng)用在建筑的日常應(yīng)用過程中，也可以應(yīng)用于鋼筋混凝土建筑施工工程當(dāng)中，具有較高的使用價值和使用效率。

2 主梁正截面承載力可靠性評估應(yīng)用

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估方法的應(yīng)用性能，選用傳統(tǒng)的正截面承載力可靠性評估方法作為實(shí)驗(yàn)的對比方法。與設(shè)計(jì)的可靠性評估方法相比，傳統(tǒng)的評估方法在應(yīng)用過程中使用的評估設(shè)備為現(xiàn)有的硬件設(shè)備，且未經(jīng)過任何改裝處理。另外在計(jì)算過程中僅考慮評估點(diǎn)的負(fù)載承載可靠性情況，未將自重應(yīng)力以及構(gòu)造應(yīng)力考慮其中。經(jīng)過遠(yuǎn)程無線傳輸環(huán)境，研究鋼筋混凝土建筑主梁正截面的受力可靠性評估，通過實(shí)驗(yàn)探索建筑主梁正截面的受力機(jī)理，從而確定各個組成部分構(gòu)建所分配到的承載力情況，為鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

選擇的實(shí)驗(yàn)對象為位于1樓到3樓的建筑主梁，表2是建筑鋼筋混凝土梁寬和梁高具體信息表。

表2 鋼筋混凝土建筑梁信息表

根據(jù)表2信息，在鋼筋混凝土建筑主梁上選擇多個評估點(diǎn)，并將優(yōu)化完成的評估設(shè)備安裝在測點(diǎn)上，其中固定測點(diǎn)如圖2所示。

如圖2所示，A、B、C和D代表不同的固定評估點(diǎn)，除了這幾個固定評估點(diǎn)之外，還可以設(shè)置多個評估點(diǎn)，并設(shè)置評估點(diǎn)的布置情況和評估設(shè)備的設(shè)置情況，具體如表3所示。

圖2 主梁正截面固定評估點(diǎn)分布圖

表3 主梁正截面測點(diǎn)位置及設(shè)置數(shù)據(jù)

按照待測量的對應(yīng)參數(shù)配置評估設(shè)備，并啟動評估設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)。評估設(shè)備將對應(yīng)的評估參數(shù)按照間隔時間傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，由監(jiān)控中心進(jìn)行判斷分析與判斷處理。觀察評估信號的變化情況，并及時做出相應(yīng)的調(diào)整。通過無線傳輸通信網(wǎng)絡(luò)將評估設(shè)備采集到的評估結(jié)果傳輸?shù)街骺赜?jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)通過統(tǒng)計(jì)與分析將評估結(jié)果通過評估界面顯示出來，具體如圖3所示。

圖3 框架結(jié)構(gòu)平面圖

如圖3所示，需要通過人為控制的方式來調(diào)整主梁正截面的承載力，采用的控制方式為增加或減少其上層空間的負(fù)載重量。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)評估點(diǎn)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài)，在一定程度上更加有利于評估結(jié)果的合理性。對于評估鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性，在實(shí)際的應(yīng)用中更能保障工程質(zhì)量。

3 結(jié)語

鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估方法在實(shí)際建筑施工中因使用方便、適應(yīng)性強(qiáng)，而得到了良好的應(yīng)用反饋。通過評估方法的應(yīng)用可以在一定程度上，保證鋼筋混凝土建筑使用的結(jié)構(gòu)合理性和使用安全性，鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估還在不斷發(fā)展中，需不斷根據(jù)承載力可靠性評估的發(fā)展對方法優(yōu)化，從而真正準(zhǔn)確地為鋼筋混凝土建筑主梁正截面承載力可靠性評估提供依據(jù)。在接下來的工作中以承載力可靠性評估過程的準(zhǔn)確性以及主梁正截面的施加預(yù)應(yīng)力對整個結(jié)構(gòu)受力所產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究。