楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法

1、楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法1前言土木工程领域已有结构的加固改造是当前一个相当普遍的问题。许多建筑在施工或使用过程中，由于功能的改变，需要进行各种类型 的改造，如楼板开洞，柱或承重墙的托换，剪力墙开洞等。在这些改 造中，由于结构荷载、约束条件可能发生变化，受力性能也会产生相 应的改变，通常原结构截面或配筋很难满足要求， 因此也就存在如何 最有效地进行加固的问题。本文通过一个工程实例，对楼板开洞改造 的受力情况用有限元算法进行了分析，并进一步探讨了适用的加固方 法。2工程分析2.1 工程概况某工程为现浇框架-剪力墙结构，现由于使用功能改变，地下一优 009M O-0CW23 0 0

2、0741 0 00659 0.0A576 0.00494 O.OCMI2 0.00129 0.00247 0.00165 8.2c-04LC 1>1 如7 Lu串呻 L. 丁 Q R -0a层楼板某一开间内拟开设一4.8mx0.6m的洞口，如图1所示图1楼板洞口开设示意2开洞楼板变形分布示意图由图1可见，该处楼板开间为5.95m,进深为8m,而洞口长度 达4.8m,且垂直于主受力钢筋大量截断，楼板承载能力大幅度削弱。 另外，洞口边缘可能出现的应力集力也会对结构产生不利影响。因此,要实现这样的开洞改造，就应对楼板的受力情况进行全面的计算分 析，并根据分析结果提出相应的加固方案。2.2 有限

3、元分析用SAP有限元软件对该开洞结构和完全不开洞的楼板进行了弹0.00S60.0G5H0.004670.00374O.OOJ27Q.00Z80.002M0.00187 0.00149.3e-tM 4Je-04 aKVrEW LOOFik JM rrw陋 a? 12UlSItiI师归TW 如”w © 加上I91IC I-I Vil = 5 La MU !, - 0 R -41L-T 1.1：Lfl.用 lid O IR-(J性对比分析计算（荷载约为28KN/m为参考值，主要用于对比分析） 图2为开洞楼板的变形分布云图，图3为不开洞楼板的变形分布云图c 图3不开洞楼板变形分布示意图 图4

4、开洞楼板最大主拉应力分布图对比分析图2和图3可见，在同样的荷载和约束条件下，开有洞 口的楼板的最大变形出现在洞口离楼板的边缘较远的一侧长边，达9.88 mm；而普通楼板的最大变形则出现在楼板跨度中心部位，为 5.6 mmo因此按弹性分析的结果，开洞楼板的挠度较不开洞楼板的挠度增 加了 76.4%,如考虑到楼板混凝土开裂和弹塑性性能等的影响，实际挠度增加的幅度还会更大。另外，根据弹性分析的结果，开洞楼板的最大主拉应力较不开洞 楼板增加了 25.6%,这主要反映了洞口在强度上对楼板的削弱作用。 图4为开洞楼板的主拉应力分布云图， 可以看出，开洞楼板的最大主 拉应力出现在洞口的短边和短跨方向支座处，

5、 这表明在洞口的短边出 现了明显的应力集中现象，该处应力接近于应力接近于应力最大值。 这也是在制定加固方案时必须加以考虑的。3洞口大小对受力性能的影响为了解洞口尺寸对楼板受力性能的影响，用SAP有限元软件对多种洞口尺寸楼板的变形和受力性能进行了计算。图5为楼板挠度随洞口尺寸的变化曲线，图中横坐标为洞口长度 与楼板短跨之比，纵坐标为楼板挠度与不开洞楼板挠度之比。从图中可以看出，楼板的最大挠度基本与洞口尺寸成正比， 这主要是由于采 用了弹性分析方法。因此，如考虑楼板混凝土的开裂及弹塑性性能， 实际开洞楼板挠度的增长将高于图示结果。图6为楼板最大主拉应力随洞口尺寸的变化曲线， 图中横坐标为 洞口长度

6、与楼板短跨之比，纵坐标为楼板最大主拉应力与不开洞楼板0.5L0.5最大主拉应力之比。可以看出，楼板的最大主拉应力也基本与洞口尺寸成正比。由于最大主拉应力的变化反映了楼板整体强度的变化，因此可以得到结论：楼板所开洞口越大，对楼板强度的削弱就越大，两者基本成线性关系。图 5 挠度随洞口变化曲线图 6 最大主拉应力随洞口变化曲线对比图 5 和图 6 可以看出，即使采用弹性分析方法，开洞楼板的挠度增长也显著高于其强度的削弱，因此控制开洞楼板受力性能的主要指标为其刚度和变形性能，对开洞楼板的加固应主要考虑提高其整体刚度。另外，当洞口尺寸较小时，楼板刚度和强度的削弱均有限，可以不需要对楼板进行加固，而当洞

7、口尺寸增大到一定程度时，楼板可能由于变形过大而破坏，此时就需要对楼板进行加固。具体的判断指标应根据工程实际的容许挠度或相关受力性能来确定。4 加固方法探讨根据上述分析，一旦确定开洞楼板需要加固，就应确定是采用刚度加固的办法，或是刚度与强度加固相结合的办法进行加固。刚度加固主要解决楼板变形过大的问题，可采用钢结构支撑或体外预应力加固的办法，而强度加固主要解决洞口应力集中以及支座部位负弯矩过大等问题，可采用粘贴碳纤维布的方法。对本文的改造工程，采用了刚度与强度加固相结合的办法。即一方面用钢结构对楼板进行支撑，另一方面在板顶和板底相应部位粘贴了碳纤维布。加固方案简图如图7所示板庭璀纤堆加固胡黑口 j .T 4板麻碳纤城n图7加固方案示意图5结论当对已建房屋楼板开洞改造时，开洞楼板的刚度和强度较不开洞 时会有不同程度的削弱，一般情况下，刚度的削弱会更为显著，在洞 口短边或转角处会出现较大的应力集中， 现浇连续楼板在支座部位也 会出现较大的主拉应力，在确定加固方案时应该予以考虑。参考文献1刘