混凝土屋架现有承载力的两种判断方法

杨 斌 刘礼华 魏晓斌

(1.湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430070； 2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

混凝土屋架现有承载力的两种判断方法

杨 斌1刘礼华2魏晓斌2

(1.湖北水利水电职业技术学院，湖北 武汉 430070； 2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

以百瑞景中央生活区403会所屋架改造工程为例，对混凝土屋架现有承载力判断的两种近似方法进行了详细介绍，以更好地对混凝土屋架的现有承载力作出判断，同时为类似工程提供了参考借鉴。

混凝土屋架，承载力，检测，判断，有限元

0 引言

结构现有承载力的判断是结构加固的基础，只有对结构现有承载力作出准确的判断，才能做出合理的加固设计。混凝土屋架的承载力判断一直是结构检测工作中的难题，现行规范中没有明确的方法规定[1-3]。本文以百瑞景中央生活区403会所屋架改造为例，介绍混凝土屋架现有承载力的两种判断方法。

1 屋架承载力检测判断

选择具有代表性的3榀中间屋架进行检测，按照原建筑的现场编号，选择南3、南5和北11 3榀屋架。如果检测结果所反映的真实情况与预想有较大差异，再随机选择1榀中屋架进行检测并比较结果。考虑到端屋架与山墙相连，不便于检测，且端屋架只承受中间屋架一半的荷载，故不对端屋架进行检测。

在每榀屋架两端之间拉水平线测量其初始挠度。在屋架跨中两侧固定悬挑钢梁，钢梁须具有足够的刚度，悬挑1 m，钢梁端部分别用钢丝吊一铅球和一带刻度钢尺。铅球的下表面与百分表杆接触，并调整读数盘读数为0。百分表竖杆下平放一银镜，便于读数。接近钢尺安放一水准尺，读取钢尺下降高度，如图1所示。采用百分表和钢尺两个读数系统是为了避免堆载影响读数视线，百分表测量最为精确，在不影响视线的情况下以百分表读数为准。

在加载平台上堆置沙袋，屋架发生挠动。理论上，当屋架挠度(初始挠度+百分表读数或钢尺读数)达到设计规范中允许的最大挠度时，称量沙袋的总重量加屋面和桁架恒载，即近似看作屋架的极限承载力(这里用刚度指标度量承载力，故只能算作近似)。由于实验为非破坏性，初始设计也可能留有较大余度，再加上实验中挠度较大会使混凝土屋架开裂过多，故不一定需要知道极限承载力，只需知道结构是否能满足荷载要求。若以设计单位提供的屋面改造设计荷载8 kN/m2(《百瑞景403会所结构检测任务答疑》)为堆载目标，逐级加载至该值时屋架挠度小于设计规范规定的限值，则认为屋架承载力合格，不需补强。也可能原结构已被使用多年，或原设计留有余度不大，桁架的承载力无法达到改造设计的设计值要求，如果加载至改造设计值可能会发生结构破坏，故设定一个挠度限值，即原始设计荷载作用下验算的挠度值(原始设计时已考虑为最大)，当桁架的总挠度达到该限值时停止加载，将对应的荷载作为桁架的承载能力，与改造设计期望相差的承载力部分由设计单位进行补强设计。据此，对结构的健康状况进行鉴定，改造设计超出的荷载全部由加固承担。

以某1榀屋架为例，屋架最大挠度控制值32 mm，系原始设计荷载作用下验算的挠度值，检测实验中是由有限元估算分析得到的。有限元分析中，混凝土采用Solid45单元，钢筋用Link8单元，按照原设计屋面荷载2.97 kN/m2，计算得到屋架的最大挠度为32 mm，如图2所示。经检测，屋架在现有荷载作用下的初始挠度为18 mm，因此新增挠度控制在14 mm。在加载平台上用沙袋堆载，使屋架新增14 mm的挠度，称量沙袋堆载总重，即屋架能继续加载的余度(注意，将这个加载余度加上屋架、屋面板的实际自重，分摊成屋面板上的面荷载，应该小于原设计荷载2.97 kN/m2，原因是结构经过数十年的使用，承载力有所降低)。若改造设计荷载增量超过这一余度，则需对结构加固补强。

更进一步，为使原结构在实验过程中不产生新的实验裂缝，经有限元计算原设计允许应变，在桁架下弦底面粘贴应变片控制实验加载过程中的拉应变(C25混凝土控制拉应力为ft=1.27 N/mm2，混凝土弹性模量Ec=2.8×104N/mm2，近似按弹性理论计算，混凝土的控制拉应变εty=45.36×10-6，扣除已产生的应变约为5.0×10-6，混凝土的新增应变，即应变片应变ε≤40.36×10-6，限值取40×10-6)；同时，为了控制加载过程中混凝土不被压碎，在第一、第二根上弦杆跨中处侧面顶部粘贴应变片控制实验加载过程中的压应变(C25混凝土控制压应力为fc=11.9 N/mm2，近似按弹性理论计算，混凝土的压应变极限εcy=-425×10-6，扣除已产生的应变约为-380×10-6，混凝土的新增应变，即应变片应变ε≤-45×10-6，限值取-45×10-6)。如果业主和设计单位要求继续加载，要检测出原设计的精确余度，混凝土的开裂不得超过裂缝的允许值0.2 mm。

应变片的布置如图3所示。

该项目改造设计屋面荷载为8 kN/m2，经有限元计算，屋架的跨中最大挠度为76 mm，见图4，已超过规范规定的最大允许值60 mm和实验屋架最大挠度控制值32 mm，显然依靠屋架的承载力余度无法满足，必须进行加固补强。

本检测可以提供两项承载力指标：一是桁架现有能增加承受的荷载，即原设计承载力的余度残留值，供结构改造设计参考；二是桁架的总承载力，即沙袋的总重量加屋面和桁架恒载。

2 屋架承载力推定判断

除了采用检测方法，还可以结合检测结果和有限元仿真计算[4]对屋架的现有承载力进行推定[5]。

通过有限元分析得知，当荷载作用在屋架上弦时，最大拉应力出现在屋架跨中竖杆，最大压应力出现在上弦杆，如图5所示。不同载重情况下，控制点处的应力见表1。

表1 不同加载重量下屋架控制点应力

如表1所示，由于拉应力的增速较快，较快地接近材料强度值，因此拉应力为屋架的控制应力。应力σ与加载重量P近似成线性关系，对应力和载重采用线性拟合，假设：

σ=p1×P+p2

(1)

利用最小二乘法对表1的数值进行拟合，得出，p1=0.003 9，p2=1.033 4。

σ=0.003 9×P+1.033 4

(2)

屋架加载至极限状态，C20混凝土拉应力达到强度标准值(检测实验中采用标准值)1.54 MPa，由式(2)得屋架极限加载值为130 kN，还可在屋面板上承载1.2 kN/m2的均布荷载，可推定屋架现有承载力为395 kN。

3 结语

本文介绍了两种得到混凝土屋架现有承载力的近似方法，鉴于我国现行的检测技术规范对混凝土屋架承载力的判断并没有作出比较实质可操作性的方法规定，本文的方法值得推广和借鉴。

[1] 曹双寅，邱洪兴，王恒华.结构可靠性鉴定与加固技术[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[2] 张 鑫，李安起，赵考重.建筑结构鉴定与加固改造技术的进展[J].工程力学,2011,28(1):1.

[3] 袁庆华.建筑结构检测鉴定方法探讨[J].建筑科学，2002,18(4)：32-33.

[4] 双凯伟.钢结构屋架静力有限元分析[J].山西建筑,2009,35(32):60-61.

[5] 刘礼华，杨 斌，陈尚建，等.某大型混凝土屋架现有承载力的一种判定方法[J].建筑结构,2012,42(2):105-107.

Two kinds of judging method of concrete roof truss’ existing bearing capacity

Yang Bin1Liu Lihua2Wei Xiaobin2

(1.HubeiWaterResourcesTechnicalCollege,Wuhan430070,China;2.SchoolofCivil&ArchitecturalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)

Taking Bairuijing central living community club No.403 roof truss transformation engineering as an example, the paper specifically introduces current two similar concrete roof truss bearing capacity identification methods, in order to make better judgment to the existing bearing capacity of concrete roof, with a view to better provide some guidance for similar engineering.

concrete roof truss, bearing capacity, detection, identification, finite element

2015-01-21

杨 斌(1978- )，男

1009-6825(2015)10-0036-02

TU311

A