既有混凝土梁上开洞的分析

既有混凝土梁上开洞的分析

0对结构的认识不全面近年来，考虑到改变居住功能的要求，对现有建筑的加固改造需求不断增加，办公条件也在增加。为了提高建筑的使用率，一些人新建了一个大空间，并增加了其他层。为了方便交通，一些人还增加了电塔间和长凳。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,供相关设计人员参考。1开洞改造,满足净高要求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4kN/mm2,非上人屋面活载为0.5kN/mm2,而梁间间距为4.0m,简支梁长为7.5m,截面尺寸为600mm×250mm,混凝土强度近似为C20;下部纵向钢筋为的Ⅰ级钢筋。洞口设置在距支座2.5m处的梁高中部,洞口为R=50mm的圆孔。2空口的存在时,会对周边区域产生集中现象;由于梁上开洞会引起相应部位截面的削弱,导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传统设计方法2.1.1计算负荷值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2.1.2下纵向钢筋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。(1)开孔处的内力计算(2)开孔处的强度复核(1)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,混凝土强度近似为C20(fc=9.6N/mm2);下部纵向钢筋为的Ⅰ级钢筋,fy=215N/mm2;As≈1960mm2;考虑检测报告混凝土碳化深度的影响,取梁宽为200mm,梁下边缘有30mm厚混凝土不考虑,根据力的平衡得开孔部位的抗弯承载力为即抗弯承载力满足要求。(2)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),则即抗剪承载力满足要求。(3)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阿q软件的微观电压分析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。2.2.1土体单元的确定根据所提供的资料,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。2.2.2混凝土梁下纵向受力钢筋根据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(1)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12.2N/mm2,已经超过C20混凝土的抗压强度设计值(fc=9.6N/mm2),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。(2)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193.5N/mm2,即小于Ⅰ级钢筋的强度设计值fy=215N/mm2。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23mm<[w]=l/250=30mm,则变形满足要求。3加固结构处理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。4加固设计基本原则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