某厂房钢筋混凝土框架T形梁损坏分析及处理.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology1946第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.2023某厂房钢筋混凝土框架 T 形梁损坏分析及处理周广强1,2，宋 超1（1.山东建筑大学土木工程学院，250101，济南；2.山东建筑大学建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，250101，济南）摘要：某厂房支承双 T 板的钢筋混凝土框架 T 形梁在使用过程中出现斜向裂缝，翼缘损坏。依据检测结果，采用有限元分析软件 ABAQUS 对其损坏原因进行分析。结果表明，架梁翼缘较薄是导致其损坏的主因；在双 T 板板肋处集中荷载作用下，梁端板肋支承处承受较大的弯矩和剪力作用，混凝土主拉应力超过抗拉强度，产生斜向裂缝；屋面温度应力的作用加剧了斜向裂缝的发展程度及范围，并导致翼缘的损坏。对混凝土框架T形梁进行加固处理，增设了屋面保温措施。该建筑物加固效果良好，可为其他同类工程提供参考。关键词：框架 T 形梁；混凝土压碎；斜向裂缝；有限元分析中图分类号：TU 375 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-1946-05DAMAGE ANALYSIS AND TREATMENT OF T-BEAM OF REINFORCED CONCRETE FRAME IN A WORKSHOPZHOU Guang-qiang1,2,SONG Chao1(1.School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,250101,Jinan,China;2.Key Laboratory of Building Structural Retrofitting and Underground Space Engineering(Shandong Jianzhu University),Ministry of Education,250101,Jinan,China)Abstract:Oblique cracks and flanges were found in the T-beam of reinforced concrete frame supporting double T-plate in a workshop.According to the test results,the finite element analysis software ABAQUS was used to analyze the cause of its damage.The results show that the main cause of its damage is the thin flange of the frame beam.Under the concentrated load at the double T-plate ribs,the support of the beam end ribs bears significant bending moments and shear forces,and the main tensile stress of concrete exceeds the tensile strength,resulting in oblique cracks.Roof temperature stress intensifies the development and extent of oblique cracks and leads to flange failure.The concrete frame T-beam is strengthened and the roof insulation measures are added.The reinforcement effect of the building is good,which can provide reference for other similar projects.Keywords:frame T-beam;concrete crushing;oblique crack;finite element analysis工程中混凝土框架梁在上部荷载、环境变化等原因的作用下易产生裂缝等损坏，从而使结构处于带裂缝工作状态。混凝土开裂后，结构已处于非弹性工作阶段，极易出现混凝土梁损坏问题13。运用有限元分析软件 ABAQUS4对某厂房支承双 T 板的钢筋混收稿日期：20230606作者简介：周广强（1975），男，山东聊城人，教授，硕士，e-mail:.11011111.10 HECTOR C R,NASSIM S,MOHAMAED B,et al.Properties of ordinary concretes incorporating crushed queen scallop shellsJ.Materials and Structures,2016,49(5):8051816.11 CARDINA M,BELEN G F,FERNANDO M A,et al.Performance of mussel shell as aggregate in plain concreteJ.Construction and Building Materials,2017,139(15):570583.12 LIMEIRA J,ETXEBERRIA M,AGULLO L,et al.Mechanical and durability properties of concrete made with dredged marine sandJ.Construction and Building Materials,2011,25(11):41654174.13 CAGATAY I H.Experimental evaluation of buildings damaged in recent earthquakes in turkeyJ.Engineering Failure Analysis,2005,12(3):440452.14 ALSHAHWANY R B A.Effect of partial replacement of sand with limestone filler on some properties of normal concreteJ.AlRafadain Engineering Journal,2011,19(3):3748.15 DIAS W,SENEVIRATNE G,NANAYAKKARA S.Offshore sand for reinforced concreteJ.Construction and Building Materials,2008,22(7):13771384.16 李师财,于泳,金祖权.海水海砂混凝土力学性能与耐久性研究综述 J.硅酸盐通报,2020,39(12):37433752.17 刘伟,谢友均,董必钦,等.海砂特性及海砂混凝土力学性能的研究 J.硅酸盐通报,2014,33(1):1522.18 耿健智,朱德举,郭帅成,等.基于不同地域海砂的海水海砂混凝土力学性能试验研究 J.材料导报,2022,36(3):152159.19 武永焱,明鑫,范小春.无机聚合物海砂混凝土基本力学性能试验研究 J.武汉理工大学学报,2019,41(5):7178.20 朱德举,周琳林,耿健智,等.不同地域海砂取代率对混凝土力学性能的影响 J.湖南大学学报(自然科学版),2022,49(11):237244.21 张鹤,赵炜璇,巴恒静.水灰比和矿物掺合料对混凝土结构中钢筋极化电阻的影响 J.混凝土,2012(8):14.2023 年 8 月1947凝土框架 T 形梁开裂、损坏原因进行了分析，根据损伤情况进行了加固处理，并给出了设计、施工建议。1 工程概况某单层厂房建于 2008 年，东西向总长 120 m，南北向总长 42 m，层高 5.5 m。该厂房结构形式为框排架结构，南北向设置了三榀纵向混凝土框架，柱距6 m，预制双 T 屋面板跨度为 21 m，支承于纵向框架T 形梁上。厂房平面尺寸如图 1 所示。19513311715210614412816 171921182022ADBECFG42 000120 000图 1 厂房平面示意该厂房A、G轴框架梁为矩形截面，中间D轴框架梁为 T 形截面，如图 2 所示。原设计混凝土强度等级为 C 30，纵向受力钢筋级别为 HRB335，箍筋为HPB 235。70055050100120120300图 2 D轴框架梁截面示意在使用过程中发现，该厂房中间D轴框架梁普遍开裂，部分翼缘混凝土损坏、脱落。2 检测结果2.1 框架梁裂缝及损伤情况检测发现，D轴框架梁在靠近支座的两个双 T 板板肋支承范围内普遍存在不同程度的斜向裂缝，绝大多数裂缝呈上宽下窄状，而且裂缝始端大多位于支承双 T 板板肋的位置，部分框架 T 形梁上翼缘在支承双 T 板板肋位置存在混凝土局部损坏、脱落现象，D轴框架梁裂缝及混凝土损坏如图 3 所示。未发现A轴、G轴框架梁存在明显裂缝或混凝土损伤现象。对屋面调查发现，该厂房未铺设屋面保温层，未能起到有效保温效果。D轴框架梁两侧双 T 板板肋在梁上支承长度也存在偏差，同时，梁体两侧双 T 板之间嵌缝材料普遍开裂，最大缝隙宽度已近 15 mm。预制板板肋下梁翼缘局部损坏，混凝土脱落预制板板肋下梁翼缘局部损坏，混凝土脱落15165 6000.40.30.51.0 0.40.40.4 0.40.2 0.20.30.20.2图 3 D轴框架梁裂缝及混凝土损坏示意2.2 框架梁混凝土强度及钢筋配置对 D轴框架梁混凝土强度、截面尺寸及钢筋配置情况进行检测，框架梁混凝土抗压强度推定值为30.2 MPa，可评定为 C 30；构件截面尺寸、钢筋配置均符合原设计要求。3 框架梁损坏原因分析3.1 框架梁受剪承载力计算根据 GB 500102010混凝土结构设计规范5，当仅配置箍筋时，钢筋混凝土框架梁的斜截面受剪承载力计算公式为：svcst0yv01.751AVf bhfhs=+（1）式中：为计算截面的剪跨比，可取=a/h0，当1.5 时，取 1.5，当 3.0 时，取 3.0；a 为集中荷载作用点至支座截面的距离；ft为混凝土轴心抗拉强度设计值；b 为梁截面宽度；h0为梁截面有效高度；fyv为箍筋的抗拉强度设计值；Asv为配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积；s 为沿构件长度方向的箍筋间距。经计算，框架梁抗剪承载力为 357.6 kN，大于实测计算的剪力值（188.9 kN），受剪承载力满足要求。3.2 有限元模型分析为了分析框架梁翼缘破坏及梁体斜向裂缝产生的原因，采用有限元分析软件进行模拟分析。3.2.1 模型建立及相关参数运用 ABAQUS 对工业厂房D轴一个中间跨 T 形梁进行非线性数值模拟。T 形梁翼缘宽 540 mm、厚100 mm，腹板宽 300 mm、高 700 mm。具体截面尺寸及配筋如图 4 所示。框架梁混凝土强度为 C 30，采用混凝土损伤塑性模型，参照GB 500102010 混凝土结构设计规范，钢筋采用双折线模型的本构关系。周广强，等：某厂房钢筋混凝土框架 T 形梁损坏分析及处理建 筑 技 术第 54 卷第 16 期194822022081502841222242012100/2001240042012012030055070050 100图 4 T 形梁截面尺寸及配筋ABAQUS 中混凝土损伤塑性模型通过延长受拉软化曲线来模拟钢筋与混凝土之间的截面效应，从而能够近似地模拟混凝土开裂后钢筋荷载传递6。同时，假定钢筋与混凝土之间无相对滑移，采用 embedded嵌入命令将钢筋混凝土刚性连接。由于选取了框架结构中D轴一个中间跨 T 形梁进行分析，因此，建立两端固接框架梁，有限元模型如图 5 所示。图 5 有限元模型考虑到该厂房空间跨度较大，预应力双 T 板弯曲变形会导致框架梁翼缘出现应力集中现象。为了模拟预应力双 T 板弯曲变形对梁翼缘的影响，建立双 T板模型并采用钢材属性对其进行简化设置，两端通过预埋件与框架梁焊接。根据厂房实际屋面做法计算屋面荷载标准值为2.85 kN/m2，双 T 板自重荷载标准值为 2.96 kN/m2，永久荷载标准值总计 5.81 kN/m2，屋面可变荷载标准值为 0.5 kN/m2。3.2.2 计算模型分析混凝土损伤塑性模型不同于基于弥散裂缝方法的混凝土模型，损伤塑性模型并不会真实演化出裂缝，而是通过如图 6 所示的混凝土最大塑性应变云图显示裂缝的发展方向。ABAQUS 中混凝土损伤塑性模型在受力过程中+4.098E03+3.756E03+3.415E03+3.073E03+2.732E03+2.390E03+2.049E03+1.707E03+1.366E03+1.024E03+6.829E04+3.415E04+0.000E+00最大塑性应变（平均：75%）图 6 混凝土最大塑性应变云图由于损伤累积而产生裂缝的发展，可以通过等效塑性应变的概念来展示裂缝的发展方向7。在双 T 板板肋传来的集中荷载作用下，混凝土最大受拉损伤云图如图 7 所示，混凝土最大主应力云图如图 8 所示。+2.623E01+2.404E01+2.186E01+1.967E01+1.749E01+1.530E01+1.311E01+1.093E01+8.743E02+6.557E02+4.371E02+2.186E02+0.000E+00最大受拉损伤（平均：75%）图 7 混凝土最大受拉损伤云图+1.051E+06+7.609E+05+4.710E+05+1.810E+05 1.090E+05 3.990E+05 6.889E+05 9.789E+05 1.269E+06 1.559E+06 1.849E+06 2.139E+06 2.429E+06最大主应力（平均：75%）图 8 混凝土最大主应力云图从图 7、图 8 可以看出，在靠近支座处混凝土出现受拉损伤；最靠近支座的一个双 T 板板肋支承处承受较大的剪力，混凝土主拉应力超过其抗拉强度，形成斜向裂缝；其他双T板板肋支承处并未产生裂缝。该厂房屋面无有效保温措施，夏季和冬季的温差约30，使预应力双T板表面产生较大的温度应力。在荷载和温度共同作用下，混凝土最大受拉损伤云图 2023 年 8 月1949周广强，等：某厂房钢筋混凝土框架 T 形梁损坏分析及处理如图 9 所示，混凝土最大主应力云图如图 10 所示。+8.126E01+7.449E01+6.771E01+6.094E01+5.417E01+4.740E01+4.063E01+3.386E01+2.709E01+2.031E01+1.354E01+6.771E02 +0.000E+00最大受拉损伤（平均：75%）图 9 混凝土最大受拉损伤云图（考虑温度应力）+1.019E+06+5.118E+05+4.497E+03 5.028E+05 1.010E+06 1.517E+06 2.025E+06 2.532E+06 3.039E+06 3.547E+06 4.054E+06 4.561E+06 5.069E+06最大主应力（平均：75%）图 10 混凝土最大主应力云图（考虑温度应力）由图 9、图 10 可知，考虑温度应力后，混凝土受拉损伤程度及范围加大，靠近梁端支座的第二个双T 板板肋支承处混凝土也出现受拉损伤，混凝土主拉应力超过其抗拉强度，产生斜向裂缝。框架梁翼缘和腹板交界处的变截面使得拉应力更易集中，因此裂缝更易产生。框架梁支座附近集中荷载作用处的梁体处于压、拉、剪复合受力状态，主拉应力较大且超过混凝土抗拉强度，产生垂直于主拉应力方向的斜向裂缝。综上分析，在双 T 板板肋处集中荷载作用下，梁端承受较大的弯矩和剪力作用，混凝土主拉应力超过其抗拉强度，产生斜向裂缝；屋面温度应力的作用进一步加大了混凝土主拉应力，加剧了斜向裂缝的发展，在原梁端斜裂缝邻近的板肋支承处也出现了斜向裂缝。在荷载的长期作用下，裂缝还会不断发展，裂缝形态与实测裂缝基本吻合。图 11 为框架梁在荷载和温度共同作用下的混凝土受压损伤云图。可以发现，框架梁翼缘支承板肋处混凝土受压损坏较为严重，原因是在集中荷载和温度共同作用下，钢垫块与混凝土发生相互挤压变形，双T 板的弯曲变形使得框架梁翼缘边缘处出现应力集中现象，导致混凝土局部压应力过大，混凝土压碎。+9.406E01+8.622E01+7.838E01+7.054E01+6.270E01+5.487E01+4.703E01+3.919E01+3.135E01+2.351E01+1.568E01+7.838E02+0.000E+00最大受压损伤（平均：75%）图 11 混凝土受压损伤云图由以上分析可知，框架梁翼缘产生损坏的主要原因是局部压应力过大。众多学者通过理论分析和试验结果发现 T 形梁的抗剪承载力随翼缘厚度的增大而增大89。下面通过增加翼缘厚度的方法，分析框架梁翼缘厚度对其损坏程度的影响。补充模拟了翼缘厚度为150 mm、200 mm 和 250 mm 的 3 种情况，混凝土塑性应变云图分别如图 12、图 13 和图 14 所示。不同翼缘厚度的框架梁支承板肋处混凝土荷载 塑性应变曲线如图 15 所示。+9.434E03+8.648E03+7.862E03+7.076E03+6.290E03+5.503E03+4.717E03+3.931E03+3.145E03+2.359E03+1.572E03+7.862E04+0.000E+00最大塑性应变（平均：75%）图 12 混凝土塑性应变云图（翼缘厚 150 mm）+1.203E02+1.103E02+1.003E02+9.026E03+8.023E03+7.020E03+6.017E03+5.015E03+4.012E03+3.009E03+2.006E03+1.003E03+0.000E+00最大塑性应变（平均：75%）图 13 混凝土塑性应变云图（翼缘厚 200 mm）由图 12 图 15 可以看出，翼缘厚度增加至150 mm 和 200 mm 时，框架梁支承板肋处混凝土塑建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1950+1.413E02+1.296E02+1.178E02+1.060E02+9.423E03+8.245E03+7.067E03+5.889E03+4.711E03+3.534E03+2.356E03+1.178E03+0.000E+00最大塑性应变（平均：75%）图 14 混凝土塑性应变云图（翼缘厚 250 mm）7.06.56.05.55.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50塑性应变/103 50 100 150 200 250 300 350 400 450荷载/kN100 mm 150 mm 200 mm 250 mm图 15 框架梁支承板肋处混凝土荷载 塑性应变曲线性应变减小，翼缘的损坏程度明显减弱，但翼缘混凝土依然出现压碎；当翼缘厚度增加至250 mm时，梁翼缘基本未发生损坏，但翼缘与腹板交界处依旧产生斜向裂缝；增加翼缘厚度对梁体斜向裂缝有一定程度的抑制作用，但不显著。4 处理措施4.1 框架梁加固处理该框架梁存在斜向裂缝，显著影响框架梁的抗剪承载力，也会影响构件的耐久性能；部分板肋支承处翼缘已经压碎损坏，存在安全隐患，需采取加固处理措施。首先，对斜向裂缝采用压力灌浆法10进行封闭处理，为了防止卸载后裂缝回缩，宜在卸载前进行封闭。对屋面板进行可靠支撑后，采用加大截面法对框架梁进行加固处理，如图 16 所示。4.2 屋面处理该厂房屋面无保温层，致使屋面板受到较大温度应力作用，进而导致框架梁开裂、损坏严重，故应增设屋面保温层。将原屋面做法剔除，重新施工，增设保温层，但应保证屋面荷载不超过原设计荷载。灌浆料浇筑21422512400穿梁灌胶41412100/200焊接封闭箍8080808054030070010050图 16 框架梁增大截面加固示意5 结论该厂房加固后已经使用多年，使用过程中未发生异常情况。通过对混凝土框架 T 形梁损坏原因进行分析及处理，得出以下结论。（1）支承双 T 板的框架梁翼缘较薄时，容易使翼缘产生较大的局部压应力从而损坏，设计时应合理确定翼缘厚度。（2）屋面保温措施不足，容易使屋面板产生较大的温度应力，在荷载和温度应力的共同作用下，框架梁开裂及翼缘的损坏会被加剧。因此设计、施工时应做好屋面的保温措施。参考文献1 DUAN A,LI Z Y,ZHANG W C,et al.Flexural behaviour of reinforced concrete beams under freeze-thaw cycles and sustained loadJ.Structure and Infrastructure Engineering,2017,13(10):13501358.2 孙长军.钢筋混凝土梁裂缝的分析与处理 J.四川建筑科学研究,2007,33(5):7578.3 王飞阳,黄宏伟,张东明,等.带裂缝服役混凝土结构力学性能的多尺度模拟方法 J.建筑结构学报,2019,40(12):155162.4 欧瑾,王曙光,刘伟庆.ABAQUS 软件在弹性滑移支座非线性有限元分析中的应用 J.南京工业大学学报(自然科学版),2010,32(4):4953.5 混凝土结构设计规范:GB 500102010S.2010.6 李辉.预应力混凝土双向叠合板设计与理论分析 D.济南:山东建筑大学,2017.7 雷拓,钱江,刘成清.混凝土损伤塑性模型应用研究 J.结构工程师,2008(2):2227.8 PLACAS A,REGAN P E.Shear failure of reinforced concrete beamsJ.Journal of ACI,1971,68(10):763773.9 ZARARIS I P,KARAVEZIROGLOU M K,ZARARIS P D.Shear strength of reinforced concrete T-beamsJ.ACI Structural Journal,2006,103(5):693700.10 王金山,刘健,崔全岳,等.自压力灌浆法处理框架柱施工缝夹渣层的新技术 J.四川建筑科学研究,2007,33(4):146147.