既有混凝土梁上开孔后的受力性能分析与加固设计.pdf

第 3 7卷第2期 2 0 1 1年4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 9 9 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 ， 于小健 ， 王乘风 ， 何绪杰。 ( 1 苏州科技学院土木学院， 江苏 苏州2 1 5 0 1 1 ； 2 苏州土木文化中城建筑设计有限公司， 江苏 苏州2 1 5 1 3 1 ； 3 苏州金泰科工程加 固公司 ， 江苏 苏州2 1 5 0 0 0 ) 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 A B Q U S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 ： T U 3 7 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) O 20 9 9一 o 3 M e c h a n i c a l a n a l y s i s a n d r e t r o fit t i n g d e s i g n o f o p e n i n g i n b u i l t - u p b e a m F A N G Y o u z h e n ， Y U X i a o j i a n ， WA N G C h e n g f e n g ， H E X u j i e ( 1 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f S u z h o u ， S u z h o u 2 1 5 0 1 1 ， C h i n a ； 2 A r c h i F e e l i n g ( S u z h o u )C o ， L t d ， S u z h o u 2 1 5 1 3 1 ， C h i n a ； 3 S u z h o u K i n g t e c h R e i n f o r c e E n g i n e e r i n g C o ，L t d ， S u z h o u 2 1 5 0 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： C o m b i n e d w i t h t h e p r a c t i c e o f o p e n i n g i n b u i h u p b e a m， t h e c o n v e n t i o n a l d e s i g n m e t h o d a n d F E M s o f t w a r e n a me d A B Q U S we r e a do p t e d t o c a l c u l a t e a n d a n aly z e， t h e e l a s t i c me c ha ni c al b e ha v i o ur o f i t wa s d e riv e dTh e r e s ult s s h o w t he fle x u r a l a n d s he a r c a r r y i n g - c a p c i t y w e r e d e c l i n e d t o s o m e e x t e n t ， s t r e s s c o n c e n t r a t i o n d i s c o v e r e d i n t h e n e a r b y r e gio n o f o p e n i n g B a s e d o n t h e r e s u l t s ， t h e r e t r o f i t t i n g d e s i gn p l a n W as p r o v i d e d t o e n s u r e t h e l o a d i n g c a r r y i n g c a p c i t y o f b u i l t u p b e a m ， r e l i e v e t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n， i mp r o v e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s t r u c t u r e ， o ff f e r t h e r e f e r e n c e f o r r e l e v a n t s r e s e arc h e r a n d d e s i gn e r s Ke y wo r d s： o p e n i n g ； e l a s t i c me c h an i c a l a n a l y s i s ； l o a d i n g c a r r y i n g c a p a c i t y ； r e t r o fi t t i n g d e s i g n p l a n 0 引 言 相关设计人员参考。 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 ， 将小开问改为大开间； 有 的为 了提高建筑物的利用率 ， 将原来的大空问进行增层 ； 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 1 工程概况 本工程为苏州市某单位办公楼改造加固工程 ， 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 的恒 载取值 为 4 k N m m ， 非上 人屋 面活载为 0 5 k N mm ， 而梁 间问距为 4 0 m， 简支梁长为 7 5 m， 截面尺寸为 6 0 0 mm2 5 0 r f l l n ， 混凝土强度近似为 C 2 0 ； 下 部纵 向钢 筋 为 4 b 2 5的 I 级 钢 筋 。洞 口设 置 在距支座 2 5 m处 的梁 高中部 ， 洞 口为 R=5 0 m m 的圆孔 。 嚣 _ ) 男 ，安 徽 望 江 人 ，博 0教 授 ， 主 要 从 2 J 7 NNN ! N S n i t$ ff19 7 2 作 者 简 介 ：方 有 珍 ( 一 ) ， 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 m a i l ： f y z 7 2 y a h o o c o n ( 3 11 由于梁上开洞会引起相应部位截面 的削弱 ， 导 1 0 0 四川建筑科学研究 第3 7 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 A B Q U S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 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 q=( Y G g k + Y Q q k ) Z = ( 1 2 4 0+1 4 0 5 ) 4 =2 2 0 k Nm 2 1 2 混凝土 梁开孔部 位 的 内力计 算与 强度 复核 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。 图 1 屋面粱开孔结构 示意 Fi g 1 St r u c t ur a l dr a wi ng o f o pe n i ng i n bu i l t up be a m ( 1 ) 开孔处的内力计算 孔 =2 2 0 x7 5 x2 5 22 2 0 x2 52 2 =1 3 7 5 k N m 开 孔 =2 2 07 5 22 2 02 5=5 5 k N ( 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孑 L 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 似为 C 2 0 ( L = 9 6 N ra m ) ； 下部纵向钢筋为 4 2 5 的 I 级钢筋 = 2 1 5 N ram ； A 1 9 6 0 mm ； 考虑检 测报告混凝土碳化深度的影响， 取粱宽为 2 0 0 m m， 梁下边缘有 3 0 m m厚混凝土不考虑， 根据力的平衡 得 A =a e b x 贝 0 = 2 1 51 9 6 0 ( 1 0 9 6 2 0 0 ) =2 1 9 5 mm 开孔部位的抗弯承载力为 M 开 孔= L A 。 ( h 0 一 x 2 ) =2 1 5 1 9 6 0 4 5 5 =1 91 7 4 i 0 N m 开孔 ：1 3 7 5 k N m 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 开 孔= 0 7 f f , l , ( 6 0 03 01 0 0)=0 71 1 2 0 0 4 7 0=72 3 81 0 N Vs孔 =5 5 k N 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 c c ) = ( ) + ( ) ： 1 04 5 l 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 A B Q U S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 A B Q U S软件对其进行 有 限元分析。 2 2 1 A B Q U S有限元计算模型的建立 根据所提供 的资料 ， 建立 A B Q U S有限元分析 模型 ， 其 中混凝土采用实体单元 ， 本构选择 AB Q U S 中提供 的混凝土弹性损伤本构 ； 钢筋采用杆单元 ， 本 构选择 A B Q U S中提供 的钢筋双线形本构 ， A B Q U S 模型的边界约束条件和网格划分如图2所示。 ( a ) 支座约束 (b ) 网格划分 图2 A B Q U S计算模型 F i g 2 C o mp u t i n g mo d e l o f A B QU S 2 2 2 A B Q U S有限元计算结果与分析 根据 A B Q U S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 1 2 2 N m m ， 已经超过 C 2 0混凝土的抗压强 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 l 0 l ( a ) 混凝土粱混凝土部分应力 ( b ) 混凝土梁开孔孔边部分应力 图 3 混凝土应 力 F i g 3 S t r e s s d i s t r i bu t i o n o f c o n c r e t e b e a m 度设计值 ( = 9 6 N ra m ) ， 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 1 9 3 5 N m m ， 即小于 I级 钢筋的强度设计值 = 2 1 5 N ra m 。 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 2 3 mm W=1 2 5 0= 3 0 mm， 则变形满足要求 。 图4 混凝土梁轴向挠度 Fi g 4 De fl e c t i o n c u r v e o f c o n c r e t e b e a m 3 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 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。 图 5 混凝土梁开 洞部位加 固设计方 案 Fi g 5 Re t r o fi t t i n g d e s i g n l a y o u t i n r e g i O n n e a r o p e n i ng o f c o n c r e t e b e a m 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 算方法和有 限元 通 压 条221 - 0 1 6 71 0 01 4 0 0 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 。 参 考 文 献 ： 1 G B 5 0 3 6 72 0 0 6混凝 土结构加 固设计规范 S 2 b 良桃 ， 周靖， 叶蓁 混凝土结构加固设计规范算例 M 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 。 2 0 0 8 3 王铁 成 混凝土结构原理 M 天津 ： 天津大学出版社 ， 2 0 0 2 4 梁兴文 ， 王社 良 ， 李 晓文 ， 等 混凝土结构设 计原理 M 北 京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 3 5 东南大学 ， 同济大学 ， 天津 大学 混凝 土结构设 计原理 M 4 版 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 6 何政 钢筋混凝 土结构 非线性分 析 M 哈尔滨 ： 哈尔滨 工 业大学 出版社 ， 2 0 0 7 黜辫器搿搿黜 黯 “ 种 鹕 S N _ n l - _ _ l星 嚣善蛩 ；I 苴