既有厂房屋架原位试验与有限元分析

张 凯 王卫军 鲁立三

（1黄河水利科学研究院； 2河南黄河河务局）

1 概况

为提升城市文化与创新空间，打造创意街区，某旧工业园区拟对既有厂房进行加固改造，该单层厂房屋架为大跨度的预应力钢筋混凝土桁架结构，已使用近50 a。为避免拆除减少经济损失，在确保结构安全前提下最大限度保留既有结构，通过原位加载试验，并结合数值计算结果，综合分析屋架单榀预应力钢筋混凝土桁架结构受力及变形特性，验证其在设计荷载作用下承载力是否符合规范要求，以供后期技术改造工作参考。

2 试验对象选取

目标厂房东西长113 m，南北宽131 m，排架跨度18 m，排架柱间距6 m，南侧6跨设屋顶天窗，北侧1跨为钢结构。根据试验目的，结合厂房结构现状质量检测成果，原位试验对象选定为状态较差的A-B/13轴屋架。该屋架为高天窗钢筋混凝土预应力桁架结构，现场实测混凝土强度为16.10 MPa，由于该屋架混凝土受到风化作用，故考虑降低混凝土强度等级，经修正混凝土强度等级取C14，屋架梁均为矩形截面，下弦杆截面200 mm×190 mm，上弦杆截面200 mm×250 mm，天窗架截面200 mm×150 mm，单跨跨度18 m。试验加载桁架位置如图1所示。

图1 试验加载桁架位置图

3 试验项目实施

3.1 试验项目及加载设计

鉴于本次试验为原位非破坏性验证试验，试验荷载依据厂房屋盖结构原图纸设计荷载370 kg/m2计算，考虑目前屋盖系统并没有活荷载发生，故在原屋盖系统静荷载（屋盖自重）不卸载的情况下，新增加荷载定为原设计活荷载70 kg/m2与15%原设计荷载之和，相当于1.23 kN/m2。加载方式采用25 kg 标准砂袋进行均布加载，逐级加载试验每级加载后的持荷时间应不少于15 min，且每级加载后的持荷时间应相等。持荷期间对荷载、位移、应变、裂缝产生、变化等进行观测记录，并检查屋架梁是否存在断裂、屈服等迹象。试验加载、卸载设计如表1所列。

表1 试验加载与卸载设计表

3.2 测点布置与有限元数值模拟

关键点位移测点布置包括：支座位置，下弦中点，下弦杆件节点，上弦杆件节点及天窗架沿跨度1/4 处等共计10 个关键点。应变测点布置包括：支座位置，下弦中点，下弦杆件节点，上弦跨中，上弦节点等共计10 个部位。其中应变测试点1～5，每个位置布置4个应变片，分布在侧面和底面。应变测试点6～10，每个位置布置3个应变片，分布在侧面和底面。位移和应变测点布置如2所示。

同时，为验证试验方案正确合理性，进行了ANSYS数值模拟计算。由于缺乏预应力设计资料及实测资料，无法估计其目前预应力钢筋的效果，因此，数值计算中偏保守没有考虑预应力作用。计算时，取混凝土弹性模量Ec=2.15×104MPa，二级钢筋弹性模量Es=2.00×105MPa。模型中，x方向为水平向右，y方向为竖直向上，y 方向的位移为负，表示该点位移竖直向下。

图2 位移和应变测点布置示意图

ANSYS有限元模型如图3所示。

图3 ANSYS有限元模型图

4 原位试验结果及数值分析

4.1 挠度分析

试验榀预应力钢筋混凝土屋架各关键节点原位加载试验挠度测试结果与有限元计算结果，以及按照原屋面板设计静荷载300 kg/m2，加载卸载与挠度变化量关系如图4和图5所示。

图4 下弦节点处3、4号点荷载与挠度变化量关系图

图5 上弦节点处6、7、8号点荷载与挠度变化量关系图

由图4和图5可以看出从工况1到工况7各关键点的挠度变化与荷载基本符合比例增降关系。同时，试验测得该屋架在达到最大荷载4.17 kN/m2试验承载力极限状态时，跨中总挠度试验值和计算值分别为12.01 mm和8.94 mm，原屋面板设计静荷载工况下有限元计算屋架跨中挠度值为5.81 mm，均小于规范GB50010-2010第3.4.3条规定的挠度限值l0/400=45 mm。

4.2 应变应力分析

根据原位测试结果：1、2 号关键点处于两端支座位置，处于双向受力状态下，应变变化较为复杂；3、4、5 号关键点处于下弦杆上，总体上处于受拉状态；其中5 号关键点位于下弦跨中位置，该处的拉应变的均值达到108×10-6，接近或达到混凝土极限拉应变值，这样说明下弦杆在工况7作用下接近承载力极限状态；6、7、8 号关键点位于上弦拱上，总体上处于受压状态；9、10号关键点位于竖向杆，总体状态处于受压状态。应变值为单向的应变值，据此计算得到的应力值为估算值，虽然不能得出实际的应力值，但是可以判断出该位置的受力状态，即为可判断处受拉或是受压。有限元数值模拟的应变结果与试验结果相关性较好，验证了原位加载试验的结论。

5 结论

通过选定屋架的设计荷载承载力原位试验，每级荷载加、卸载下均未见裂缝产生；加载过程中，每增加一级荷载，跨中挠度增量值较稳定；卸载过程中，跨中挠度减量值较稳定。试验过程中未发现裂缝产生，结合有限元数值计算分析，预应力钢筋混凝土屋架仍处于弹性状态下。本试验所测单榀预应力钢筋混凝土屋架结构，在其屋面板受到近似均布荷载作用下，总荷载不超过4.17 kN/m2时，屋架结构设计承载力和变形验证结果满足GB50010-2010有关规定要求。