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        既有廠房屋架原位試驗(yàn)與有限元分析

        2020-10-15 02:29:36王衛(wèi)軍魯立三
        河南水利與南水北調(diào) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:屋架關(guān)鍵點(diǎn)原位

        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?,y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、卸載下均未見裂縫產(chǎn)生;加載過程中,每增加一級(jí)荷載,跨中撓度增量值較穩(wěn)定;卸載過程中,跨中撓度減量值較穩(wěn)定。試驗(yàn)過程中未發(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。

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