既有廠房屋架原位試驗與有限元分析

張 凱 王衛軍 魯立三

（1黃河水利科學研究院； 2河南黃河河務局）

1 概況

為提升城市文化與創新空間，打造創意街區，某舊工業園區擬對既有廠房進行加固改造，該單層廠房屋架為大跨度的預應力鋼筋混凝土桁架結構，已使用近50 a。為避免拆除減少經濟損失，在確保結構安全前提下最大限度保留既有結構，通過原位加載試驗，并結合數值計算結果，綜合分析屋架單榀預應力鋼筋混凝土桁架結構受力及變形特性，驗證其在設計荷載作用下承載力是否符合規范要求，以供后期技術改造工作參考。

2 試驗對象選取

目標廠房東西長113 m，南北寬131 m，排架跨度18 m，排架柱間距6 m，南側6跨設屋頂天窗，北側1跨為鋼結構。根據試驗目的，結合廠房結構現狀質量檢測成果，原位試驗對象選定為狀態較差的A-B/13軸屋架。該屋架為高天窗鋼筋混凝土預應力桁架結構，現場實測混凝土強度為16.10 MPa，由于該屋架混凝土受到風化作用，故考慮降低混凝土強度等級，經修正混凝土強度等級取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。試驗加載桁架位置如圖1所示。

圖1 試驗加載桁架位置圖

3 試驗項目實施

3.1 試驗項目及加載設計

鑒于本次試驗為原位非破壞性驗證試驗，試驗荷載依據廠房屋蓋結構原圖紙設計荷載370 kg/m2計算，考慮目前屋蓋系統并沒有活荷載發生，故在原屋蓋系統靜荷載（屋蓋自重）不卸載的情況下，新增加荷載定為原設計活荷載70 kg/m2與15%原設計荷載之和，相當于1.23 kN/m2。加載方式采用25 kg 標準砂袋進行均布加載，逐級加載試驗每級加載后的持荷時間應不少于15 min，且每級加載后的持荷時間應相等。持荷期間對荷載、位移、應變、裂縫產生、變化等進行觀測記錄，并檢查屋架梁是否存在斷裂、屈服等跡象。試驗加載、卸載設計如表1所列。

表1 試驗加載與卸載設計表

3.2 測點布置與有限元數值模擬

關鍵點位移測點布置包括：支座位置，下弦中點，下弦桿件節點，上弦桿件節點及天窗架沿跨度1/4 處等共計10 個關鍵點。應變測點布置包括：支座位置，下弦中點，下弦桿件節點，上弦跨中，上弦節點等共計10 個部位。其中應變測試點1～5，每個位置布置4個應變片，分布在側面和底面。應變測試點6～10，每個位置布置3個應變片，分布在側面和底面。位移和應變測點布置如2所示。

同時，為驗證試驗方案正確合理性，進行了ANSYS數值模擬計算。由于缺乏預應力設計資料及實測資料，無法估計其目前預應力鋼筋的效果，因此，數值計算中偏保守沒有考慮預應力作用。計算時，取混凝土彈性模量Ec=2.15×104MPa，二級鋼筋彈性模量Es=2.00×105MPa。模型中，x方向為水平向右，y方向為豎直向上，y 方向的位移為負，表示該點位移豎直向下。

圖2 位移和應變測點布置示意圖

ANSYS有限元模型如圖3所示。

圖3 ANSYS有限元模型圖

4 原位試驗結果及數值分析

4.1 撓度分析

試驗榀預應力鋼筋混凝土屋架各關鍵節點原位加載試驗撓度測試結果與有限元計算結果，以及按照原屋面板設計靜荷載300 kg/m2，加載卸載與撓度變化量關系如圖4和圖5所示。

圖4 下弦節點處3、4號點荷載與撓度變化量關系圖

圖5 上弦節點處6、7、8號點荷載與撓度變化量關系圖

由圖4和圖5可以看出從工況1到工況7各關鍵點的撓度變化與荷載基本符合比例增降關系。同時，試驗測得該屋架在達到最大荷載4.17 kN/m2試驗承載力極限狀態時，跨中總撓度試驗值和計算值分別為12.01 mm和8.94 mm，原屋面板設計靜荷載工況下有限元計算屋架跨中撓度值為5.81 mm，均小于規范GB50010-2010第3.4.3條規定的撓度限值l0/400=45 mm。

4.2 應變應力分析

根據原位測試結果：1、2 號關鍵點處于兩端支座位置，處于雙向受力狀態下，應變變化較為復雜；3、4、5 號關鍵點處于下弦桿上，總體上處于受拉狀態；其中5 號關鍵點位于下弦跨中位置，該處的拉應變的均值達到108×10-6，接近或達到混凝土極限拉應變值，這樣說明下弦桿在工況7作用下接近承載力極限狀態；6、7、8 號關鍵點位于上弦拱上，總體上處于受壓狀態；9、10號關鍵點位于豎向桿，總體狀態處于受壓狀態。應變值為單向的應變值，據此計算得到的應力值為估算值，雖然不能得出實際的應力值，但是可以判斷出該位置的受力狀態，即為可判斷處受拉或是受壓。有限元數值模擬的應變結果與試驗結果相關性較好，驗證了原位加載試驗的結論。

5 結論

通過選定屋架的設計荷載承載力原位試驗，每級荷載加、卸載下均未見裂縫產生；加載過程中，每增加一級荷載，跨中撓度增量值較穩定；卸載過程中，跨中撓度減量值較穩定。試驗過程中未發現裂縫產生，結合有限元數值計算分析，預應力鋼筋混凝土屋架仍處于彈性狀態下。本試驗所測單榀預應力鋼筋混凝土屋架結構，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，屋架結構設計承載力和變形驗證結果滿足GB50010-2010有關規定要求。