既有混凝土梁上开孔后的受力性能分析与加固设计.docx

既有混凝土梁上开孔后的受力性能分析与加固设计方有珍1 ，于小健2 ，王乘风3 ，何绪杰3( 1 苏州科技学院土木学院，江苏 苏州 215011;2 苏州土木文化中城建筑设计有限公司，江苏 苏州 215131;3 苏州金泰科工程加固公司，江苏 苏州215000)摘 要: 针对实际工程加固改造中在既有混凝土梁上开洞的情况，采用一般计算分析方法和 ABQUS 进行精确的弹性分析，结果显示: 洞口的增设导致梁的强度有一定幅度的降低，同时洞口周边也出现了一定程度的应力集中现象。根据分析结果，提 出了洞口附近的加固设计方案，保证了混凝土梁的抗弯、抗剪承载能力，缓解了洞口周边的应力集中现象，提高了结构的可靠 性，这将为从事建筑结构加固改造的相关设计人员提供了参考。关键词: 开洞; 弹性力学分析; 承载能力; 加固设计方案中图分类号: TU375. 1文献标识码: A文章编号: 1008 1933( 2011) 02 099 03Mechanical analysis and retrofitting design of opening in built-up beamFANG Youzhen1 ，YU Xiaojian2 ，WANG Chengfeng3 ，HE Xujie3( 1 College of Civil Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215011，China;2 Archi-Feeling( Suzhou) Co ，Ltd，Suzhou 215131，China;3 Suzhou Kingtech Reinforce Engineering Co ，Ltd，Suzhou 215000，China)Abstract: Combined with the practice of opening in built-up beam，the conventional design method and FEM software named ABQUS were adopted to calculate and analyze，the elastic mechanical behaviour of it was derived The results show the flexural and shear carrying-capcity were declined to some extent，stress-concentration discovered in the nearby region of opening Based on the results，the retrofitting design plan was provided to ensure the loading-carrying capcity of built-up beam，relieve the stress-concentration，improve the reliability of the structure，offfer the reference for relevants researcher and designersKey words: opening; elastic mechanical analysis; loading-carrying capacity; retrofitting design plan相关设计人员参考。0引言1工程概况本工程为苏州市某单位办公楼改造加固工程，近年来，为了满足建筑物的使用功能改变的要求，对既有建筑物进行加固改造的需求日益增多，有 的为了改善办公条件，将小开间改为大开间; 有的为 了提高建筑物的利用率，将原来的大空间进行增层; 有的为了交通方便，增设电梯间或扶梯等等。有些结构由于其功能的改变，暖通和装饰要求 在原结构的相关构件上开设孔道，便于管道的设置， 虽然在很多实际工程由于缺乏对结构整体与局部协 同工作和传力机理的力学概念，未经精确力学分析 就实施并投入使用，但存在一定的安全隐患。本文 就既有混凝土梁上开设孔道的实际工程事例进行力 学分析，并根据计算结果提出相关加固处理措施，供由于单位对原有建筑物使用 功能进行了较大的改 变，建筑物顶层由原来的小开间变为大空间会议场 所，以致建筑消防要求设置消防喷淋设施，而原来楼 层的标高有限，相应管道无法设置在梁下，为此，需 要将既有混凝土进行开洞，使管道穿过混凝土梁，满 足净高要求。根据业主提供的鉴定报告可知，屋面2的恒 载 取 值 为 4 kN / mm ，非 上 人 屋 面 活 载 为 0. 52kN / mm ，而梁间间距为 4. 0 m，简支梁长为 7. 5 m，截面尺寸为 600 mm 250 mm，混凝土强度近似为 C20; 下部纵向钢筋为 425 的级钢筋。洞口设置 在距支 座 2. 5 m 处 的 梁 高 中 部，洞 口 为 R = 50 mm 的圆孔。收稿日期: 2009-05-15作者简介: 方有珍( 1972 ) ，男，安 徽 望 江 人，博 士，副 教 授，主 要 从事建筑结构与加固设计研究。E mail: fyz72 yahoo com cn2力学模型的选取和计算分析由于梁上开洞会引起相应部位截面的削弱，导100四川建筑科学研究第 37 卷致承载能力有一定幅度的降低。同时，空口的存在，会导致其附近区域出现应力集中现象，因此，需从结 构承载力安全的角度出发，采用常规设计方法进行 计算和 ABQUS 软件进行有限元精确分析，使 得 计 算结果更准确，确保加固设计方案的合理、可行。2 1 常规设计方法即抗弯承载力满足要求。抗剪承载力计算由于开孔导致混凝土梁开孔部位形成空腹梁， 则将下部纵向受力钢筋难以精确分析的抗剪销栓作 用作为安全储备，只考虑混凝土的抗剪作用，其中还 考虑混凝土梁下边缘碳化深度的影响( 即不考虑大 部分保护层的作用) ，则Vu开孔 = 0. 7f ft b ( 600 30 100 ) = 0. 7 1. 1 200 470 = 72. 38 103 N V开孔 = 55 kN即抗剪承载力满足要求。弯剪联合作用简化考虑由于开孔部位同时承担弯矩和剪力作用，则根 据简单的弯剪联合作用加以判断，即2 1 1荷载取值与计算梁上荷载按照相邻跨板的一半传至梁上形成线荷载考虑，则梁上荷载设计值为= ( G gk + Q qk )q l= ( 1 2 4 0 + 1 4 0 5)= 22 0 kN / m混凝土梁开孔部位的内力计算与强度复核 42 1 2根据业主提供的设计资料，确定屋面梁为简支梁，相关尺寸和开孔位置如图 1 所示。MV(开孔 ) 2 + (开孔 ) 2槡Mu开孔Vu开孔137 5 ) 2 + (55) 2(= 1 045 1槡191 7472 38则弯剪联合作用下混凝土梁的承载能力有一定程度的欠缺。2 2 ABQUS 软件微观应力与变形分析为了更准确了解混凝土梁开孔后孔洞对混凝土 梁受力性能 的 影 响，采 取 ABQUS 软件对其进行有 限元分析。图 1 屋面梁开孔结构示意Fig 1 Structural drawing of opening in built-up beam( 1) 开孔处的内力计算2M开孔 = 22. 0 7. 5 2. 5 /2 22. 0 2. 5 /2= 137. 5 kNmV开孔 = 22. 0 7. 5 /2 22. 0 2. 5 = 55 kN( 2) 开孔处的强度复核抗弯承载力计算由于开孔导致混凝土梁开孔部位形成空腹梁， 上部混凝土部分相当于空腹梁上弦杆承受压力，下部混凝土和钢筋的组合部分相当于空腹梁下弦杆，而混凝土抗拉性能较差。为此，下部只考虑纵向受 拉钢筋的作用。根据检测报告显示，混凝土强度近2 2 1ABQUS 有限元计算模型的建立根据所提 供 的 资 料，建 立 ABQUS 有 限 元 分 析模型，其中混凝土采用实体 单 元，本 构 选 择 ABQUS 中提供的混凝土弹性损伤本构; 钢筋采用杆单元，本 构选 择 ABQUS 中提供的钢筋双 线 形 本 构，ABQUS 模型的边界约束条件和网格划分如图 2 所示。似为 C20 ( fc = 9. 6 N / mm ) ; 下部纵向 钢 筋 为 425222的级钢筋，fy = 215 N / mm ; As 1960 mm ; 考虑检测报告混凝土碳化深度的影响，取梁宽为 200 mm， 梁下边缘有 30 mm 厚混凝土不考虑，根据力的平衡 得fy As = a1 fc bx图 2 ABQUS 计算模型Fig 2 Computing model of ABQUS2 2 2 ABQUS 有限元计算结果与分析根据 ABQUS 有限元分析模型对混凝土梁开洞 进行计算分析，得出梁中的混凝土部分、钢筋的应力 分布和梁的轴向位移结果。( 1) 应力计算结果与分析 混凝土部分，计算结果如图 3 所示。从图 3 可以看出，混凝土梁上部混凝土最大应 力达到 12. 2 N / mm2 ，已经超过 C20 混凝土的抗压强x = 215 1960 / ( 1 0 9 6 200)= 219. 5 mm开孔部位的抗弯承载力为Mu开孔 = fy As ( h0 x /2) = 215 1960 455= 191 74 106 Nm M开孔 = 137. 5 kNm则( 2) 混凝土梁挠度计算结果与分析1012011 No. 2方有珍，等: 既有混凝土梁上开孔后的受力性能分析与加固设计计算结果如图 4 所示。从图 4 可以得知，混凝土梁纵向最大挠度约达 到 23 mm w = l /250 = 30 mm，则变形满足要求。图 4 混凝土梁轴向挠度Fig 4 Deflection curve of concrete beam图 3 混凝土应力Fig 3 Stress distribution of concrete beam3混凝土梁开孔后处理措施从以上计算结果可以得到，开孔将对原混凝土2度设计 值 ( fc = 9. 6 N / mm ) ，如 果 考 虑 屋 面 预 制 板的支持贡献，将在一定程度上缓解不足。但是，开孔 孔边存在轻微的应力集中现象，为此，需对开孔部分 进行结构加固处理。 下部纵向受力钢筋计算结果从计算分析结果中可以得出，混凝土梁下部纵 向受力钢筋最大应力为 193. 5 N / mm2 ，即小于 级梁的受力性能产生一定程度的不利影响，需要对其进行加固处理，以保证结构的安全可靠。主要是考 虑开孔将对梁造成截面削弱，引起梁承载能力有一 定幅度降低的部位的受力减小，而将其中一部分受 力扩散到周边部位，同时应考虑应力集中的消除，从 而整体考虑将梁开孔部位进行相应的加强，具体加 固处理措施如图 5 所示。2钢筋的强度设计值 fy = 215 N / mm 。图 5 混凝土梁开洞部位加固设计方案Fig 5 Retrofitting design layout in region near opening of concrete beam用商业软件进行详细的计算分析，明确需进行加固的结构的受力状况，为提出科学合理、切实可行的加 固设计方案提供依据。4结语根据以上对混凝土梁开洞的计算分析并提出的洞口加固处理措施，以及施工完成投入正常使用的 效果，得出以下结构加固结论和建议。( 1) 首先，必要遵循加固设计和施工基本原则: 在原结构构件上尽可能少的造成破坏，并应力求做 到新增结构与原结构的有机统一，以便实现共同工 作的最佳效果。( 2) 其次，必 须亲临现场或者全面详细了解加 固工程的实际情况，从力学概念上对加固结构进行 理论分析并提出初步处理方案。( 3) 最后，采 用结构设计计算