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论工程施工中行车引起的结构加固问题

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摘要:以某实际工程项目为例,分析了屋面行车过程中,汽车吊自重的荷载分布情况。通过盈建科软件计算车辆自重下结构的内力分布,通过对构件进行承载力校核验算,找出承载力不足的钢梁构件。依据内力结果进行相应的结构加固研究。

关键词:加固;碳纤维;钢筋混凝土结构;钢结构

复合材料加固具有施工方便,形状适应性较强,强度较大,防水防腐蚀效果较好的优势,成为加固新的发展趋势[1]。结构加固是一件综合性较强的工程,需要考虑多种因素,整体进行加固的设计与施工[2]。在进行结构设计的过程中,需要考虑安全因素、经济因素、社会影响因素以及业主要求等[3]。

1项目背景

项目建筑为钢筋混凝土裙楼结构,部分屋盖主梁构件为钢梁。在实际施工过程中出于拆除塔吊的需要,需要在屋面上行驶汽车吊,而原结构设计中没有考虑到这种情况,因此需要对结构进行结构验算进而开展加固处理工作,从而满足塔吊拆除施工的正常需求。针对汽车吊行驶过程,该文对结构进行了有限元的计算校核,并采用CFRP加固的方法对493号钢梁进行了加固处理。

2结构建模处理分析

2.1结构模型处理

此结构为钢筋混凝土裙楼结构,在使用盈建科建模之前,对结构的变形缝进行了统计整理,并且认为在变形缝处,相邻部位之间彼此脱开独立。当遇到变形缝的位置,变形缝相对分析位置以外的部分不进行建模。

2.2荷载的统计及加载

在汽车吊行驶过程中,由于车辆自重较大,轮胎接触楼板会对楼板产生较大的集中力,楼板配筋较小,无法满足承载力的要求,故采用铺垫覆土及路基箱的方式,将汽车吊的荷载传导至梁上,从而对楼板起到保护作用。在模拟行车过程中,选取六个位置作为汽车吊停车时的位置,并进行相应的内力计算。路基箱自重均布荷载为4.17kN/m2。认为汽车吊荷载为宽度为6m的均布荷载,其中后轴荷载作用长度为2m,大小为10.5kN/m,中轴荷载为12.25kN/m,前轮荷载作用长度为2m,大小为7.875kN/m。

3结构承载力验算

经验算,汽车吊行走路线中钢梁区域需进行加固处理,汽车吊起吊支撑部位混凝土梁局部需进行加固处理。论文针对汽车吊行走过程对钢梁进行分析。

3.1结构计算的内力分布

采用盈建科软件对结构进行建模,由内力计算结果可知,出现最大剪力及弯矩的构件为493号钢梁,最大弯矩为642kN•m,最大剪力为-305.6kN,最大挠度为46.49mm。493号梁钢梁截面为700×300×25×250×18×14mm,接下来从强度、刚度、稳定性三个角度对构件进行可靠性验算。

3.2钢梁构件的承载力验算

3.2.1稳定性验算在该结构各钢梁截面中,由于混凝土板对H型钢的上翼缘的约束作用,因此不存在整体失稳问题。由钢结构设计规范[4]可知,当腹板高厚比满足h0/tw≤80×槡235/fy时。则可不考虑腹板局部稳定问题,可不设置横向加劲肋。在该结构各钢梁截面中,最大高厚比为46,小于上式中的高厚比要求,因此构件腹板满足局部稳定要求。3.2.2钢梁抗弯强度验算钢梁截面面积A=2.12×10-2m2,梁跨度为17.26m,由截面信息,对X轴求惯性矩,其值为1.67×10-3m4,中和轴以下部分净截面对中和轴的净截面模量为W1x=5.47×10-3m3,中和轴以上部分净截面对中和轴的净截面模量为W2x=4.21×10-3m3,则截面的净截面模量Wnx=9.68×10-3m3,查阅钢结构设计规范,可知该截面塑形发展系数γx为1.05。则由钢结构设计规范可知,钢梁的抗弯承载力Mu=γx×Wnx×f,代入数据可得,该构件抗弯承载力为1727.8kN•m。由内力计算结果可知,最大弯矩为642kN•m,故构件满足抗弯承载力的要求。3.2.3钢梁抗剪承载力的验算对截面进行中和轴计算可知,a=304.5mm,即中和轴距离截面下边缘304.5mm。则中和轴以下部分对中和轴的面积矩为S=2.24×10-3m3,则由钢结构设计规范可得,构件的抗剪承载力VQ=fvItw/s,带入数据计算得,VQ=1774.3kN,即钢梁的最大抗剪承载力为1774.3kN。由内力计算结果可知,493号钢梁最大剪力为-305.6kN,因此,该构件满足抗剪承载力的要求。3.2.4钢梁挠度验算该构件在结构中为主梁,因此最大挠度容许限值应满足l/400,该构件长度为17.25m.故最大挠度容许限值为43.13mm。由盈建科计算结果可知,构件最大挠度为46.49mm,超出了容许限值,需做加固处理。

4钢梁构件的CFRP加固

采用CFRP板材粘贴在梁下翼缘外边缘,从而增大了截面的惯性矩,起到了加固作用,具体设计分析如下:设粘贴的碳纤维板材厚度为t,宽度与下翼缘宽度等宽。由钢结构设计规范公式,计算结果见表1。由试算结果可知,当粘贴碳纤维板材厚度为20mm时,在行车过程中产生的挠度为45.12mm,不满足最大挠度容许限值;当粘贴碳纤维板材厚度为25mm时,挠度结果为43.19mm,不满足规范要求;当粘贴碳纤维板材厚度为30mm时,挠度结果为41.55mm,小于最大挠度容许限值,满足规范要求。由于附加了汽车吊行走荷载,对钢梁的下翼缘粘贴高强Ⅱ号CFRP条形板(碳纤维板材)补强加固。且结构处于施工尚未交付阶段,构件在此阶段初始应变较小,在此情况下,不考虑二次受力情况。对于钢结构的加固,由于汽车吊在屋面上行驶会产生较大的压力,考虑到汽车吊行车过程中,部分位置会有较大的局部压力的存在,故在腹板双侧按构造要求设置横向加劲肋。加固设计方案如图1所示。经实际工程验证,当钢梁进行了碳纤维的加固处理后,在汽车吊行驶过程及起吊过程中,钢梁的挠度均满足设计规范要求,因此认为加固的设计方案是有效合理的。碳纤维加固施工过程简单,施工效率较高,且对周围环境影响较小,满足该工程对进度及质量的要求。

参考文献

[1]张凤翻.混凝土结构加固修补用片材的选材和使用[J].建筑学报,2001,31(3):6-15.

[2]江学良,杨慧,孟茁超,等.FRP在土木工程结构加固应用中的研究进展[J].科技导报,2010(18):111-117.

[3]王旭.CFRP加固钢结构的力学性能分析[D].吉林:吉林建筑大学,2015.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50017—2017.钢结构设计标准[S].中国建筑工业出版社,2017.

作者:袁巍巍 李保德 单位:武汉理工大学土木工程与建筑学院

中国建材科技杂志责任编辑:张雨    阅读:人次