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1、楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法1 前言土木工程领域已有结构的加固改造是当前一个相当普遍的问题。 许多建筑在施工或使用过程中，由于功能的改变，需要进行各种类型 的改造，如楼板开洞，柱或承重墙的托换，剪力墙开洞等。在这些改 造中，由于结构荷载、约束条件可能发生变化，受力性能也会产生相 应的改变，通常原结构截面或配筋很难满足要求，因此也就存在如何 最有效地进行加固的问题。本文通过一个工程实例，对楼板开洞改造 的受力情况用有限元算法进行了分析，并进一步探讨了适用的加固方 法。2 工程分析2.1 工程概况 某工程为现浇框架-剪力墙结构，现由于使用功能改变，地下一0.009050.008230
2、.007410.006590.00576 0.004940.004120.003290.002470.00165 8.2e-04 0.2 300600 -5 950口层楼板某一开间内拟开设4.8mX0.6m的洞口，如图1所示。图 1 楼板洞口开设示意图2 开洞楼板变形分布示意图由图1可见，该处楼板开间为5.95m,进深为8m,而洞口长度 达4.8m，且垂直于主受力钢筋大量截断，楼板承载能力大幅度削弱。 另外，洞口边缘可能出现的应力集力也会对结构产生不利影响。因此， 要实现这样的开洞改造，就应对楼板的受力情况进行全面的计算分 析，并根据分析结果提出相应的加固方案。2.2 有限元分析用 SAP 有
3、限元软件对该开洞结构和完全不开洞的楼板进行了弹SVIEW 3.00 File lh6 97/01/02 0& 180.00560.005140.004670.00420.003740.003270.00280.002340.001870.00149.3e-CM 4.7e-04 0.12772. 11816 10859 9902 841946.3 798987033.3 6076 8 51203 416383207.3 2250 8 1294 3L.( Id Vu * 5 Lo - 90 La - 0 R - 0SVIEW 3.00 FileJhl 97 01/02 07 12性对比分析计算（荷
4、载约为28KN/tf,为参考值，主要用于对比分析）。图2为开洞楼板的变形分布云图，图3为不开洞楼板的变形分布云图。图 3 不开洞楼板变形分布示意图图 4 开洞楼板最大主拉应力分布图对比分析图2和图3可见，在同样的荷载和约束条件下，开有洞 口的楼板的最大变形出现在洞口离楼板的边缘较远的一侧长边，达 9.88血；而普通楼板的最大变形则出现在楼板跨度中心部位，为5.6 血。因此按弹性分析的结果，开洞楼板的挠度较不开洞楼板的挠度增 加了 76.4%，如考虑到楼板混凝土开裂和弹塑性性能等的影响，实际挠度增加的幅度还会更大。另外，根据弹性分析的结果，开洞楼板的最大主拉应力较不开洞 楼板增加了 25.6%，
5、这主要反映了洞口在强度上对楼板的削弱作用。 图 4 为开洞楼板的主拉应力分布云图，可以看出，开洞楼板的最大主 拉应力出现在洞口的短边和短跨方向支座处，这表明在洞口的短边出 现了明显的应力集中现象，该处应力接近于应力接近于应力最大值。 这也是在制定加固方案时必须加以考虑的。3 洞口大小对受力性能的影响为了解洞口尺寸对楼板受力性能的影响，用 SAP 有限元软件对 多种洞口尺寸楼板的变形和受力性能进行了计算。图 5 为楼板挠度随洞口尺寸的变化曲线，图中横坐标为洞口长度 与楼板短跨之比，纵坐标为楼板挠度与不开洞楼板挠度之比。从图中 可以看出，楼板的最大挠度基本与洞口尺寸成正比，这主要是由于采 用了弹性
6、分析方法。因此，如考虑楼板混凝土的开裂及弹塑性性能， 实际开洞楼板挠度的增长将高于图示结果。图 6 为楼板最大主拉应力随洞口尺寸的变化曲线，图中横坐标为 洞口长度与楼板短跨之比，纵坐标为楼板最大主拉应力与不开洞楼板 最大主拉应力之比。可以看出，楼板的最大主拉应力也基本与洞口尺 寸成正比。由于最大主拉应力的变化反映了楼板整体强度的变化，因 此可以得到结论：楼板所开洞口越大，对楼板强度的削弱就越大，两 者基本成线性关系。图 5 挠 度 随 洞 口 变 化 曲 线图 6 最大主拉应力随洞口变化曲线对比图5 和图 6可以看出，即使采用弹性分析方法，开洞楼板的 挠度增长也显著高于其强度的削弱，因此控制开
7、洞楼板受力性能的主 要指标为其刚度和变形性能，对开洞楼板的加固应主要考虑提高其整 体刚度。另外，当洞口尺寸较小时，楼板刚度和强度的削弱均有限，可以 不需要对楼板进行加固，而当洞口尺寸增大到一定程度时，楼板可能 由于变形过大而破坏，此时就需要对楼板进行加固。具体的判断指标 应根据工程实际的容许挠度或相关受力性能来确定。4 加固方法探讨根据上述分析，一旦确定开洞楼板需要加固，就应确定是采用刚 度加固的办法，或是刚度与强度加固相结合的办法进行加固。刚度加 固主要解决楼板变形过大的问题，可采用钢结构支撑或体外预应力加 固的办法，而强度加固主要解决洞口应力集中以及支座部位负弯矩过 大等问题，可采用粘贴碳
8、纤维布的方法。对本文的改造工程，采用了刚度与强度加固相结合的办法。即一 方面用钢结构对楼板进行支撑，另一方面在板顶和板底相应部位粘贴了碳纤维布。加固方案简图如图 7 所示。5 结论当对已建房屋楼板开洞改造时，开洞楼板的刚度和强度较不开洞 时会有不同程度的削弱，一般情况下，刚度的削弱会更为显著，在洞口短边或转角处会出现较大的应力集中，现浇连续楼板在支座部位也 会出现较大的主拉应力，在确定加固方案时应该予以考虑。参考文献1 刘航,李晨光.混凝土结构加固技术 .水工混凝土建筑物病害评估与 修补文集.湖南.2001,92 张誉,赵鸣,赵海东.碳纤维片材加固混凝土结构研究综述 .中国纤维 增强塑料（FRP）混凝土结构学术交流会（首届学术会议论文集）.北 京.2000年6月
楼板开洞改造有限元分析及粘贴碳纤维加固方法
