简述预制24米跨预应力混凝土折线型屋架静载试验与挠度计算

文/刘勇 长沙市城市建设科学研究院 湖南长沙 410000

1、工程基本概况

黄花工业生产基地1#车间是由湖南省电子工程设计院有限公司设计的两跨单层工业厂房，其屋架为现场叠层预制24米跨预应力混凝土折线型屋架。该屋架下弦杆混凝土设计强度等级为C55，因其留置试块有两组未达到设计强度，为确保该混凝土构件的质量能满足使用要求，湖南永鑫人防机电设备有限公司委托长沙市建设工程质量检测中心对屋架进行试验检测。

2、试验目的和要求

根据委托方要求，本试验为标准荷载作用下的非破坏性检验，检测预制24米跨预应力折线型屋架在正常使用状态短期荷载（标准荷载）作用下是否满足现行规范的正常使用极限状态的要求。

3、检测依据

《预制混凝土构件质量检验评定标准》GBJ321-90

《混凝土结构试验方法标准》GB50152-92

《混凝土结构设计规范》GB50010-2002

《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204-2002

国家建筑标准设计图集 04G415-1

设计方提供的图纸

4、现场静载试验检测

4.1 资料收集

收集设计图纸、施工与试件制作记录等资料。

4.2 结构构件外观检查

对构件的跨度、截面、钢筋的位置等实际尺寸及初始挠曲、变形、原始裂缝、缺陷等作详细记录，绘制详图。

4.3 构件的安装就位和试验装置

根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002），试验结构构件的支承方式、支撑等条件和受力状况应符合设计要求，试验布置不应分担构件承受的试验荷载，不妨碍构件变形自由发展，且应有足够刚度。

试验布置将两榀屋架平列正位，屋架支座采用钢筒，安放在厂房独立柱基杯口边砼上，两边支座经水准仪找平在同一标高位置，同时，根据设计要求，设置侧向支承，两榀屋架采用水平支撑连接，靠近抗风柱一侧用钢筋与屋架上弦焊接连接，已防止构件受力后产生侧向弯曲和倾倒，同时，侧向支承应不妨碍构件在其平面内的位移，试验过程中应注意人身和仪表安全，防止构件破坏时试验设备及构件坍塌。

4.4 试验荷载、加载方法、加载设备和测点仪表布置

试验采用屋面板为荷载，20吨吊车分级进行加载试验。在每榀屋架的下弦杆跨中、腹杆和桁架下弦节点位置上和两端支座位置安装百分表测定屋架的挠度，另在跨度方向的支座一端布置水平测点，观测构件在荷载作用下沿跨度方向的水平位移。

4.5 试验加载制度及程序

试验加载制度是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。它包括加载速度的快慢、加载时间间隙的长短、分级荷载的大小和加载卸载循环的次数等。结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关。不同性质的试验必须根据试验的要求制定不同的加载制度。本次结构性能检测加载要求如下：

（1）本次现场试验采用吊装预制屋面板进行均匀加载，单块屋面板（规格：6000mm×1500mm）的重量为12.78kN；

（2）试验前进行预加载，预加载值为试验荷载的20%；

（3）加载共分为八级，前三级荷载为试验荷载值的20%，第四～六级荷载为试验荷载值的10%，第七、八级荷载为试验荷载值的5%；

（4）每级加载完成后，持续15min；在荷载标准值作用下，持续12h。在持续时间内，观察裂缝的出现和开展，以及钢铰线有无滑移等；在持续时间结束时，观察并记录各项读数；

（5）采用分级卸载，每级卸载值取为试验荷载值的20%，每级卸载完成后，持续15min；

（6）构件的试验荷载布置符合标准图或设计的要求；

（7）根据设计的加载要求，加载方式为均布加载，施加于试验结构构件各个加载部位上的每级荷载按同一个比例加载。

5、检测结果分析

根据设计方提供的屋面荷载标准值：恒荷载＝3.42kN/m2（含屋面板自重1.42 kN/m2）、活荷载 ＝0.50 kN/m2，正常使用状态短期荷载值 ＝3.92 kN/m2，计算屋架挠度检验允许值如下：

由于该屋架可视为由上弦受弯的梁式杆件和腹杆及下弦受轴力的二力杆组成的组合结构，不考虑次应力的影响，并把上弦荷载及屋架自重荷载化作节点荷载，用数解法求得支座反力后，按绞接桁架，采用图解法计算杆件轴力，再计算屋架跨中位移。

5.1 荷载

（1）恒荷载 Gk＝3.42kN/m2

（2）活荷载 Qk＝0.50 kN/m2

（3）屋架自重 Pk＝0.78 kN/m2

5.2 上弦节点荷载

5.3 杆件轴向力、弹性模量位移计算

按静定平面桁架计算，杆件轴向力、位移汇总于下表1

弹性模量计算如下：

?

5.4 屋架跨中位移计算

5.5 检验评定依据：挠度检验允许值

检测结果汇总表见下表

?

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结语：

(1）由于以理想绞接屋架求杆件轴力、位移，实际上屋架节点具有刚性，与绞接的假定有出入。根据有关资料，按绞接与刚接两种方法计算，影响一般很小。

（2）关于位移计算中，弹性模量E取值，笔者认为，应考虑钢筋与砼共同工作，按钢筋与砼各自面积承担作用力，比较合理。

（3）屋架杆件轴向力计算按最不利荷载布置计算，计算结果与全跨荷载作用相同。