既有混凝土梁上開洞的分析

既有混凝土梁上開洞的分析

0對結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不全面近年來，考慮到改變居住功能的要求，對現(xiàn)有建筑的加固改造需求不斷增加，辦公條件也在增加。為了提高建筑的使用率，一些人新建了一個大空間，并增加了其他層。為了方便交通，一些人還增加了電塔間和長凳。有些結(jié)構(gòu)由于其功能的改變,暖通和裝飾要求在原結(jié)構(gòu)的相關(guān)構(gòu)件上開設(shè)孔道,便于管道的設(shè)置,雖然在很多實(shí)際工程由于缺乏對結(jié)構(gòu)整體與局部協(xié)同工作和傳力機(jī)理的力學(xué)概念,未經(jīng)精確力學(xué)分析就實(shí)施并投入使用,但存在一定的安全隱患。本文就既有混凝土梁上開設(shè)孔道的實(shí)際工程事例進(jìn)行力學(xué)分析,并根據(jù)計算結(jié)果提出相關(guān)加固處理措施,供相關(guān)設(shè)計人員參考。1開洞改造,滿足凈高要求本工程為蘇州市某單位辦公樓改造加固工程,由于單位對原有建筑物使用功能進(jìn)行了較大的改變,建筑物頂層由原來的小開間變?yōu)榇罂臻g會議場所,以致建筑消防要求設(shè)置消防噴淋設(shè)施,而原來樓層的標(biāo)高有限,相應(yīng)管道無法設(shè)置在梁下,為此,需要將既有混凝土進(jìn)行開洞,使管道穿過混凝土梁,滿足凈高要求。根據(jù)業(yè)主提供的鑒定報告可知,屋面的恒載取值為4kN/mm2,非上人屋面活載為0.5kN/mm2,而梁間間距為4.0m,簡支梁長為7.5m,截面尺寸為600mm×250mm,混凝土強(qiáng)度近似為C20;下部縱向鋼筋為的Ⅰ級鋼筋。洞口設(shè)置在距支座2.5m處的梁高中部,洞口為R=50mm的圓孔。2空口的存在時,會對周邊區(qū)域產(chǎn)生集中現(xiàn)象;由于梁上開洞會引起相應(yīng)部位截面的削弱,導(dǎo)致承載能力有一定幅度的降低。同時,空口的存在,會導(dǎo)致其附近區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,因此,需從結(jié)構(gòu)承載力安全的角度出發(fā),采用常規(guī)設(shè)計方法進(jìn)行計算和ABQUS軟件進(jìn)行有限元精確分析,使得計算結(jié)果更準(zhǔn)確,確保加固設(shè)計方案的合理、可行。2.1傳統(tǒng)設(shè)計方法2.1.1計算負(fù)荷值梁上荷載按照相鄰跨板的一半傳至梁上形成線荷載考慮,則梁上荷載設(shè)計值為2.1.2下縱向鋼筋根據(jù)業(yè)主提供的設(shè)計資料,確定屋面梁為簡支梁,相關(guān)尺寸和開孔位置如圖1所示。(1)開孔處的內(nèi)力計算(2)開孔處的強(qiáng)度復(fù)核(1)抗彎承載力計算由于開孔導(dǎo)致混凝土梁開孔部位形成空腹梁,上部混凝土部分相當(dāng)于空腹梁上弦桿承受壓力,下部混凝土和鋼筋的組合部分相當(dāng)于空腹梁下弦桿,而混凝土抗拉性能較差。為此,下部只考慮縱向受拉鋼筋的作用。根據(jù)檢測報告顯示,混凝土強(qiáng)度近似為C20(fc=9.6N/mm2);下部縱向鋼筋為的Ⅰ級鋼筋,fy=215N/mm2;As≈1960mm2;考慮檢測報告混凝土碳化深度的影響,取梁寬為200mm,梁下邊緣有30mm厚混凝土不考慮,根據(jù)力的平衡得開孔部位的抗彎承載力為即抗彎承載力滿足要求。(2)抗剪承載力計算由于開孔導(dǎo)致混凝土梁開孔部位形成空腹梁,則將下部縱向受力鋼筋難以精確分析的抗剪銷栓作用作為安全儲備,只考慮混凝土的抗剪作用,其中還考慮混凝土梁下邊緣碳化深度的影響(即不考慮大部分保護(hù)層的作用),則即抗剪承載力滿足要求。(3)彎剪聯(lián)合作用簡化考慮由于開孔部位同時承擔(dān)彎矩和剪力作用,則根據(jù)簡單的彎剪聯(lián)合作用加以判斷,即則彎剪聯(lián)合作用下混凝土梁的承載能力有一定程度的欠缺。2.2阿q軟件的微觀電壓分析與變形分析為了更準(zhǔn)確了解混凝土梁開孔后孔洞對混凝土梁受力性能的影響,采取ABQUS軟件對其進(jìn)行有限元分析。2.2.1土體單元的確定根據(jù)所提供的資料,建立ABQUS有限元分析模型,其中混凝土采用實(shí)體單元,本構(gòu)選擇ABQUS中提供的混凝土彈性損傷本構(gòu);鋼筋采用桿單元,本構(gòu)選擇ABQUS中提供的鋼筋雙線形本構(gòu),ABQUS模型的邊界約束條件和網(wǎng)格劃分如圖2所示。2.2.2混凝土梁下縱向受力鋼筋根據(jù)ABQUS有限元分析模型對混凝土梁開洞進(jìn)行計算分析,得出梁中的混凝土部分、鋼筋的應(yīng)力分布和梁的軸向位移結(jié)果。(1)應(yīng)力計算結(jié)果與分析(1)混凝土部分,計算結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出,混凝土梁上部混凝土最大應(yīng)力達(dá)到12.2N/mm2,已經(jīng)超過C20混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值(fc=9.6N/mm2),如果考慮屋面預(yù)制板的支持貢獻(xiàn),將在一定程度上緩解不足。但是,開孔孔邊存在輕微的應(yīng)力集中現(xiàn)象,為此,需對開孔部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理。(2)下部縱向受力鋼筋計算結(jié)果從計算分析結(jié)果中可以得出,混凝土梁下部縱向受力鋼筋最大應(yīng)力為193.5N/mm2,即小于Ⅰ級鋼筋的強(qiáng)度設(shè)計值fy=215N/mm2。計算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以得知,混凝土梁縱向最大撓度約達(dá)到23mm<[w]=l/250=30mm,則變形滿足要求。3加固結(jié)構(gòu)處理從以上計算結(jié)果可以得到,開孔將對原混凝土梁的受力性能產(chǎn)生一定程度的不利影響,需要對其進(jìn)行加固處理,以保證結(jié)構(gòu)的安全可靠。主要是考慮開孔將對梁造成截面削弱,引起梁承載能力有一定幅度降低的部位的受力減小,而將其中一部分受力擴(kuò)散到周邊部位,同時應(yīng)考慮應(yīng)力集中的消除,從而整體考慮將梁開孔部位進(jìn)行相應(yīng)的加強(qiáng),具體加固處理措施如圖5所示。4加固設(shè)計基本原則根據(jù)以上對混凝土梁開洞的計算分析并提出的洞口加固處理措施,以及施工完成投入正常使用的效果,得出以下結(jié)構(gòu)加固結(jié)論和建議。(1)首先,必要遵循加固設(shè)計和施工基本原則:在原結(jié)構(gòu)構(gòu)件上盡可能少的造成破壞,并應(yīng)力求做到新增結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的有機(jī)統(tǒng)一,以便實(shí)現(xiàn)共同工作的最佳效果。(2)其次,必須親臨現(xiàn)場或者全面詳