戴 岩

(西安交通基本建设工程质量监督站，陕西 西安 710065)



地下框架结构承担交通荷载加固承载力分析

戴 岩

(西安交通基本建设工程质量监督站，陕西 西安 710065)

以某市一地下商场为例，对其加固后的方案设计进行了分析，采用ANSYS/MIDAS建立了有限元模型，对最不利工况下结构的应力分布进行了分析，确定了控制截面的数量和位置，并对加固后的结构强度进行了验算。

框架结构，承载力，控制截面，抗弯强度

1 工程概述

某市一地下商场结构形式为：18道框架梁+16道连梁+20 cm厚现浇板构成的框架式结构，因其对现有公共交通出行影响较大，故需开放顶板以上区域供车辆及人群通行，使其能够承担城市—A级车辆荷载和荷载集度为4.0 kPa的人群荷载，由于原结构所承担的荷载发生变化且大于原设计荷载，故对其进行加固设计，并对加固后的承载力极限状态及正常使用极限状态进行验算，以确保结构安全。

2 加固方案设计

由于该结构将承担城市—A级车辆荷载和荷载集度为4.0 kPa的人群荷载，为了提高其承载力和性能，采用钢筋混凝土板对原结构顶板进行加厚并提高纵横梁整体性的方式进行加固设计，主要加固措施为：首先，在原结构顶板上缘4 cm处设置一层钢筋网，钢筋采用Φ18规格，纵、横间距均为15 cm；其次，在原结构连梁、框架梁处距顶板表面10 cm的位置设置加强钢筋，规格为Φ20，其余地方设置规格为Φ18的钢筋网，纵、横间距均为15 cm；加固时采用C40防水混凝土。

3 加固计算有限元模型

采用大型有限元通用程序ANSYS和专业有限元分析软件MIDAS建立加固后该结构的空间模型，对其进行承载能力验算，为了真实模拟钢筋混凝土加固层对结构承载力的影响，模型采用梁单元和板单元分别模拟框架梁、连梁、柱和现浇板，采用耦合模拟梁、板的结合构造，采用共用节点模拟框架梁与连梁、梁与立柱之间的联结作用，采用节点耦合来模拟梁与铺装层的联结作用。其中ANSYS模型由1 976个板单元1 713个梁单元组成，模型共2 311个节点；MIDAS模型由1 441个梁单元、1 832个板单元组成，模型共2 706个节点，如图1，图2所示。

按照该工程的荷载等级要求，取城市—A级，人群荷载集度4 kN/m2为验算荷载，对加固后结构进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算分析。

4 最不利工况内力分析及控制验算截面的确定

首先运用专业程序绘制出各控制截面的内力影响线，取六个最不利效应工况进行加载，各布载方案如下：

工况A：人行道南侧满布8.0 kPa人群荷载。

工况B：在工况A基础上，第一车道南侧满布22.5 kN/m均布荷载，自西向东2.5 m处布置140 kN集中荷载。

工况C：在工况B基础上，第二车道南侧满布22.5 kN/m均布荷载，自西向东2.5 m处布置140 kN集中荷载。

工况D：人行道北侧满布8.0 kPa人群荷载。

工况E：在工况D基础上，第一车道北侧满布22.5 kN/m均布荷载，自西向东2.5 m处布置140 kN集中荷载；第二车道北侧满布22.5 kN/m均布荷载，自西向东2.5 m处布置140 kN集中荷载。

工况F:在工况E基础上，人行道南侧满布8.0 kPa人群荷载；第一车道南侧满布22.5 kN/m均布荷载，自西向东2.5 m处布置140 kN集中荷载。

采用ANSYS有限元程序建立的结构空间模型，对六个工况下全结构的空间整体性进行分析，得到六个最不利工况下结构的应力分布云图，如图3，图4所示(以工况B,E为例)。

通过分析各工况下的应力云图，可知其应力分布趋势大致相同，各种荷载下产生最大应力的截面均分布在结构边侧纵横梁交接处，控制内力为横向、纵向弯矩及剪力，还有该处支撑柱的偏心压力。

由上可知控制截面是指在荷载作用下内力最不利的截面和梁截面发生变化处的截面，以弯矩和剪力作为控制验算内力，因此要确定具体的控制截面位置，首先使用专用有限元程序MIDAS绘制出结构在设计荷载作用下弯矩、剪力包络图，如图5，图6所示。

由包络图及梁截面变化情况可确定结构在活载作用下最不利内力的具体位置，从而确定控制截面的数量和位置，其中梁正截面抗弯控制截面为11个(A1～A11)，柱偏心受压控制截面为2个(S1，S2)，梁斜截面抗剪控制截面为5个(V1～V5)。

5 加固后结构强度验算

5.1 承载能力极限状态

计算内力考虑的荷载为：恒载，城—A级，人群，内力组合按组合Ⅰ计算：1.2×恒载+1.4×汽车+1.2×人群。

5.1.1 梁正截面抗弯强度及立柱偏心受压强度验算

利用上面的空间结构模型对结构进行梁正截面抗弯强度及立柱偏心受压强度验算，其中立柱控制截面的确定方法与梁控制截面确定方法一致，其结果见表1。

表1 承载能力极限状态梁抗弯及立柱偏心受压验算 kN·m/kN

5.1.2 斜截面抗剪强度验算

斜截面抗剪强度的验算可参考文献[6]中钢筋混凝土连续梁斜截面抗剪公式进行计算，通过对控制截面V1,V2,V3,V4,V5处进行斜截面抗剪能力验算，表明在设计荷载作用下各截面抗弯强度验算均满足规范要求，截面抗剪强度验算满足规范要求。

5.2 正常使用极限状态承载能力验算

5.2.1 裂缝验算

结构按照正常使用极限状态下的荷载组合进行抗裂性验算，计算组合Ⅰ、组合Ⅲ下的控制截面A1,A4,A7的最大裂缝宽度。

矩型、T型、I型截面钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度Wfk(mm)可按文献[6]中的公式进行计算，其计算结果如表2所示。

表2 裂缝验算

5.2.2 挠度验算

由MIDAS空间模型算出结构在荷载组合Ⅰ下挠度fqmax=1.12 mm，如图7所示。

参考现行规范中对梁式桥容许挠度值的规定可知：[f]=L/600=8.3 mm，fqmax≤[f]，所以结构满足刚度要求。

6 结语

通过以上对加固后的地下框架结构验算结果可知，原结构经过加固之后，在验算荷载等级为城市—A和人群荷载作用下，各部位截面承载能力极限状态的抗弯强度、抗剪强度均满足现行规范的要求；立柱的偏心受压强度验算满足现行规范要求；结构在正常使用状态下的裂缝宽度及挠度也满足现行规范要求；故在目前该结构经过加固后再现行荷载水平下可以正常、安全的运营。

[1] JTG/T J21—2011,公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

[2] JTG D60—2007,公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3] JTG D60—2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[4] JTG D60—2015,公路桥涵设计通用规范[S].

[5] CJJ 11—2011,城市桥梁设计规范[S].

[6] JTJ D60—2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝桥涵设计规范[S].

[7] JTJ 023—85,公路工程质量检验评定标准(第1册 土建工程)[S].

Analysis on underground frame structure bearing traffic load for reinforcing bearing capacity

Dai Yan

(Xi’anTrafficInfrastructureConstructionEngineeringQualitySupervisionStation,Xi’an710065,China)

Taking the underground shopping mall in the city as an example, the paper analyzes its reinforced scheme design, establishes finite element model by applying ANSYS/MIDAS, analyzes structure stress distribution under the worst working condition, determines the controlling section quantity and location, and checks the reinforced structural strength.

frame structure, bearing capacity, control selection, flexural strength

1009-6825(2017)18-0037-02

2017-03-29

戴 岩(1984- )，男,工程师

TU375.4

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