地下框架結構承擔交通荷載加固承載力分析

戴 巖

(西安交通基本建設工程質量監督站，陜西 西安 710065)

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地下框架結構承擔交通荷載加固承載力分析

戴 巖

(西安交通基本建設工程質量監督站，陜西 西安 710065)

以某市一地下商場為例，對其加固后的方案設計進行了分析，采用ANSYS/MIDAS建立了有限元模型，對最不利工況下結構的應力分布進行了分析，確定了控制截面的數量和位置，并對加固后的結構強度進行了驗算。

框架結構，承載力，控制截面，抗彎強度

1 工程概述

某市一地下商場結構形式為：18道框架梁+16道連梁+20 cm厚現澆板構成的框架式結構，因其對現有公共交通出行影響較大，故需開放頂板以上區域供車輛及人群通行，使其能夠承擔城市—A級車輛荷載和荷載集度為4.0 kPa的人群荷載，由于原結構所承擔的荷載發生變化且大于原設計荷載，故對其進行加固設計，并對加固后的承載力極限狀態及正常使用極限狀態進行驗算，以確保結構安全。

2 加固方案設計

由于該結構將承擔城市—A級車輛荷載和荷載集度為4.0 kPa的人群荷載，為了提高其承載力和性能，采用鋼筋混凝土板對原結構頂板進行加厚并提高縱橫梁整體性的方式進行加固設計，主要加固措施為：首先，在原結構頂板上緣4 cm處設置一層鋼筋網，鋼筋采用Φ18規格，縱、橫間距均為15 cm；其次，在原結構連梁、框架梁處距頂板表面10 cm的位置設置加強鋼筋，規格為Φ20，其余地方設置規格為Φ18的鋼筋網，縱、橫間距均為15 cm；加固時采用C40防水混凝土。

3 加固計算有限元模型

采用大型有限元通用程序ANSYS和專業有限元分析軟件MIDAS建立加固后該結構的空間模型，對其進行承載能力驗算，為了真實模擬鋼筋混凝土加固層對結構承載力的影響，模型采用梁單元和板單元分別模擬框架梁、連梁、柱和現澆板，采用耦合模擬梁、板的結合構造，采用共用節點模擬框架梁與連梁、梁與立柱之間的聯結作用，采用節點耦合來模擬梁與鋪裝層的聯結作用。其中ANSYS模型由1 976個板單元1 713個梁單元組成，模型共2 311個節點；MIDAS模型由1 441個梁單元、1 832個板單元組成，模型共2 706個節點，如圖1，圖2所示。

按照該工程的荷載等級要求，取城市—A級，人群荷載集度4 kN/m2為驗算荷載，對加固后結構進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的驗算分析。

4 最不利工況內力分析及控制驗算截面的確定

首先運用專業程序繪制出各控制截面的內力影響線，取六個最不利效應工況進行加載，各布載方案如下：

工況A：人行道南側滿布8.0 kPa人群荷載。

工況B：在工況A基礎上，第一車道南側滿布22.5 kN/m均布荷載，自西向東2.5 m處布置140 kN集中荷載。

工況C：在工況B基礎上，第二車道南側滿布22.5 kN/m均布荷載，自西向東2.5 m處布置140 kN集中荷載。

工況D：人行道北側滿布8.0 kPa人群荷載。

工況E：在工況D基礎上，第一車道北側滿布22.5 kN/m均布荷載，自西向東2.5 m處布置140 kN集中荷載；第二車道北側滿布22.5 kN/m均布荷載，自西向東2.5 m處布置140 kN集中荷載。

工況F:在工況E基礎上，人行道南側滿布8.0 kPa人群荷載；第一車道南側滿布22.5 kN/m均布荷載，自西向東2.5 m處布置140 kN集中荷載。

采用ANSYS有限元程序建立的結構空間模型，對六個工況下全結構的空間整體性進行分析，得到六個最不利工況下結構的應力分布云圖，如圖3，圖4所示(以工況B,E為例)。

通過分析各工況下的應力云圖，可知其應力分布趨勢大致相同，各種荷載下產生最大應力的截面均分布在結構邊側縱橫梁交接處，控制內力為橫向、縱向彎矩及剪力，還有該處支撐柱的偏心壓力。

由上可知控制截面是指在荷載作用下內力最不利的截面和梁截面發生變化處的截面，以彎矩和剪力作為控制驗算內力，因此要確定具體的控制截面位置，首先使用專用有限元程序MIDAS繪制出結構在設計荷載作用下彎矩、剪力包絡圖，如圖5，圖6所示。

由包絡圖及梁截面變化情況可確定結構在活載作用下最不利內力的具體位置，從而確定控制截面的數量和位置，其中梁正截面抗彎控制截面為11個(A1～A11)，柱偏心受壓控制截面為2個(S1，S2)，梁斜截面抗剪控制截面為5個(V1～V5)。

5 加固后結構強度驗算

5.1 承載能力極限狀態

計算內力考慮的荷載為：恒載，城—A級，人群，內力組合按組合Ⅰ計算：1.2×恒載+1.4×汽車+1.2×人群。

5.1.1 梁正截面抗彎強度及立柱偏心受壓強度驗算

利用上面的空間結構模型對結構進行梁正截面抗彎強度及立柱偏心受壓強度驗算，其中立柱控制截面的確定方法與梁控制截面確定方法一致，其結果見表1。

表1 承載能力極限狀態梁抗彎及立柱偏心受壓驗算 kN·m/kN

5.1.2 斜截面抗剪強度驗算

斜截面抗剪強度的驗算可參考文獻[6]中鋼筋混凝土連續梁斜截面抗剪公式進行計算，通過對控制截面V1,V2,V3,V4,V5處進行斜截面抗剪能力驗算，表明在設計荷載作用下各截面抗彎強度驗算均滿足規范要求，截面抗剪強度驗算滿足規范要求。

5.2 正常使用極限狀態承載能力驗算

5.2.1 裂縫驗算

結構按照正常使用極限狀態下的荷載組合進行抗裂性驗算，計算組合Ⅰ、組合Ⅲ下的控制截面A1,A4,A7的最大裂縫寬度。

矩型、T型、I型截面鋼筋混凝土構件的最大裂縫寬度Wfk(mm)可按文獻[6]中的公式進行計算，其計算結果如表2所示。

表2 裂縫驗算

5.2.2 撓度驗算

由MIDAS空間模型算出結構在荷載組合Ⅰ下撓度fqmax=1.12 mm，如圖7所示。

參考現行規范中對梁式橋容許撓度值的規定可知：[f]=L/600=8.3 mm，fqmax≤[f]，所以結構滿足剛度要求。

6 結語

通過以上對加固后的地下框架結構驗算結果可知，原結構經過加固之后，在驗算荷載等級為城市—A和人群荷載作用下，各部位截面承載能力極限狀態的抗彎強度、抗剪強度均滿足現行規范的要求；立柱的偏心受壓強度驗算滿足現行規范要求；結構在正常使用狀態下的裂縫寬度及撓度也滿足現行規范要求；故在目前該結構經過加固后再現行荷載水平下可以正常、安全的運營。

[1] JTG/T J21—2011,公路橋梁承載能力檢測評定規程[S].

[2] JTG D60—2007,公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[3] JTG D60—2004,公路橋涵設計通用規范[S].

[4] JTG D60—2015,公路橋涵設計通用規范[S].

[5] CJJ 11—2011,城市橋梁設計規范[S].

[6] JTJ D60—2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝橋涵設計規范[S].

[7] JTJ 023—85,公路工程質量檢驗評定標準(第1冊 土建工程)[S].

Analysis on underground frame structure bearing traffic load for reinforcing bearing capacity

Dai Yan

(Xi’anTrafficInfrastructureConstructionEngineeringQualitySupervisionStation,Xi’an710065,China)

Taking the underground shopping mall in the city as an example, the paper analyzes its reinforced scheme design, establishes finite element model by applying ANSYS/MIDAS, analyzes structure stress distribution under the worst working condition, determines the controlling section quantity and location, and checks the reinforced structural strength.

frame structure, bearing capacity, control selection, flexural strength

1009-6825(2017)18-0037-02

2017-03-29

戴 巖(1984- )，男,工程師

TU375.4

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