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1、既有混凝土梁上开孔后的受力性能分析与加固设计既有混凝土梁上开孔后的受力性能分析与加固设计何绪杰1 王乘风1 方有珍21. 苏州金泰科工程加固公司 苏州 215000 2. 苏州科技学院土木学院 苏州 215011摘摘 要：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 ABQUS 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
2、参考。关键词：关键词：开洞；弹性力学分析；承载能力；加固设计方案Mechanical Analysis and Retrofitting design of opening in Built-up BeamFang Youzhen1 Yu Xiaojian2 Wang Chengfeng33. Suzhou Kingtech reinforce Engineering Co. Ltd, Suzhou 215000, China；2. Archi-Feeling(Suzhou) Co. Ltd, Suzhou 215131, China；3. College of Civil Engineeri
3、ng, University of Science and Technology of Suzhou, Suzhou 215011, China ; Abstract: Combined with the practice of opening in built-up beam, the conventional design method and FEM software named ABQUS were adopted to calculate and analyze, the the elastic mechanical behaviour of it was derived. The
4、results show the flexural and shear carrying-capcity were declined to some extent, stress-concentration discovered in the nearby region of opening. Based on the results, the retrofitting design plan was provided to ensure the loading-carrying capcity of built-up beam, relieve the stress-concentratio
5、n, improve the reliability of the structure, offfer the reference for relevants researcher and designers. Keywords: opening; elastic mechanical analysis ; loading-carrying capacity; retrofitting design plan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间改为大开间；有的为了提高建筑物的利用率，将原来的大空间进行 增层；有的为了
6、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,供相关设计人员参考。1.工程概况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
7、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 600 mm250 mm，混凝土强度 近似为 C20；下部纵向钢筋为 4 根直径为 25 的级钢筋。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.力学模型的选取和计算分析力学模型的选取和计算分析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，
8、采用常规设计方法进 行计算和 ANASYS 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=(Ggk+Qqk) l=(1.24.0+1.40.5)4=22.0kN/m。 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见示意图。25007500600300100250图 屋面梁开孔结构示意图 开孔处的内力计算 M开孔=22.07.52.5/2-22.02.52/2=13
9、7.5kNm V开孔=22.07.5/2-22.02.5=55kN 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 4 根直径为 25 的级钢筋，fy=215N/mm2；As1960mm2；考虑检测报告混凝土碳化深度的影响，取 梁宽为 200 mm，梁下边缘有 30 mm 厚混凝土不考虑，根据力的平衡得 fyAs=a1fcbx 则 x=
10、2151960/(1.09.6200)=219.5(mm) 开孔部位的抗弯承载力为 Mu 开孔=fyAs(h0-x/2)= 2151960455=191.74106Nm M开孔=137.5kNm 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 Vu 开孔=0.7f ftb(600-30-100)=0.71.1200470=72.38103N V开孔=55kN 即抗剪承载力满足要求。 弯剪联合作用简化考
11、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MV MV22开孔开孔u开孔u开孔（）（）=1.0451137.555 191.7472.3822（）（）则弯剪联合作用下混凝土梁的承载能力有较小幅度的不足。 2.2 ABQUS 软件微观应力与变形分析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 ABQUS 软件对其进行 有限元分析。 2.2.1 ABQUS 有限元计算模型的建立 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
12、 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见下图 2：(a) 支座约束(b) 网格划分图 2 ABQUS 计算模型 2.2.2 ABQUS 有限元计算结果与分析 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。 应力计算结果与分析 混凝土部分，计算结果见图。(a) 混凝土梁混凝土部分应力(b) 混凝土梁开孔孔边部分应力详图图 3 混凝土应力图 从上图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
13、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，计算结果见图。图 4 混凝土梁下部纵向受力钢筋应力图 从上图可以看出混凝土梁下部纵向受力钢筋最大应力达到 193.5N/ mm2，仍小于一级钢筋的强 度设计值 fy=215N/mm2。 混凝土梁挠度计算结果与分析，计算结果见图。图 5 混凝土梁轴向挠度 从上图可以得知混凝土梁纵向最大挠度约达到 23mmw =l/250=30mm，则变形满足要求。3.混凝土梁开孔后处理措施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
14、利影响，需要对 其进行加固处理，以保证结构的安全可靠。主要是考虑将开孔对梁造成截面削弱，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，具体加固处理措施见图 6。图 6 混凝土梁开洞部位加固设计方案4.结束语结束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供相关人员参考： (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。
15、 (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：参考文献： 1 中华人民共和国建设部. 混凝土结构加固设计规范 （GB50367-2006）S. 2 卜良桃，周靖，叶蓁. 混凝土结构加固设计规范算例M. 中国建筑工业出版社，2008.2 3 王铁成主编. 混凝土结构原理M. 天津大学出版社，2002.9 4 梁兴文，王社良，李晓文等编著. 混凝土结构设计原理M. 科学出版社，2003.8 5 东南大学，同济大学，天津大学合编. 混凝土结构设计原理 （第四版）M. 中国建筑工业出 版社，2008.11 6 何政.钢筋混凝土结构非线性分析M. 哈尔滨工业大学出版社，2007. 1
