某钢筋混凝土开洞梁内衬钢套管加固分析

某钢筋混凝土开洞梁内衬钢套管加固分析

摘要：本文针对某装修工程对已有钢筋混凝土梁开洞后进行新增钢套管加固处理进行实例分析。分析原钢筋混凝土梁、开洞未加固梁和开洞加固梁的应力变化与分布规律，以及挠度变化情况，以验证此种加固方法的合理性，并提出此种加固方法的设计方法。

关键字：梁开洞；有限元；钢管套；加固

THE ANALYSIS OF REINFORCED CONCRETE HOLEY BEAM WITH STEEL SLEEVE

LI Pang，

（Liaoning provincial building design and research institute, Shenyang 110005）

Abstract: In this paper, mainly analyzing reinforced concrete beams with circular openings in some fitting-out works, which is reinforced with steel sleeves. Focusing on variation of stresses 、 regularities of distributions and the status of deflection，to verify the rationality of this method, and push forward designing means of the consolidating methods.

Key words: holey beam；finite element; steel sleeve; reinforce

1工程概况

某工程在装修过程中，由于暖通及强弱电的管线需要，常对既有的钢筋混凝土梁开孔、穿管，由于孔洞直径较大要截断部分箍筋，纵向主筋不截断，因此对既有梁的影响较大，特别是受剪承载力的影响尤为显著，所以为改善开洞梁的受力性能，采用内衬钢套管的方法加固开洞梁。加固梁截面b×h=250mm×400mm，梁跨度L=4000mm，孔洞直径d=260mm；孔洞与梁截面形心均无偏心，洞口位于1/4梁跨度处。

图-1

2加固验算方法

取最不利截面（通过直径截面）作为验算截面。

《混凝土结构设计规范》GB50010-2002，受剪承载力计算公式：（1）一般构件： （2）集中荷载下的独立梁：

根据上诉公式计算出被截断的箍筋和被挖去的混凝土所承受的剪力（取洞口直径），假定削弱的剪力均由新加钢套管承担，由（式中为钢套管的壁厚）求出新加钢套管的厚度。

只要开洞位置不在梁弯矩最大处，梁正截面承载力的影响小于斜截面受剪承载力，所以只要受剪承载力满足要求，正截面承载力可以不用验算。同时为避免对洞口边缘的混凝土产生过大影响，应采取在洞口两侧加U形箍的措施进行处理（如图-2），U形箍所承受的剪力：，且≥0.15，加固范围Lm≥2h+d。

图-2

3数值计算分析

3.1计算模型

由于在实际工程中梁的受力状况比较复杂，所以本次分析中采用在均布荷载和集中荷载联合作用下的简支梁。洞口位于梁弯剪区段内，需综合考虑梁正截面和斜截面承载力的影响。模型中混凝土采用SOLID65单元,纵筋和估计采用LINK8单元，钢套管和U形箍采用SHELL43单元；梁长方向的单元长度为10cm（洞口附近为5cm），梁高和梁宽方向为4～5cm，已得到理想的收敛速度；分析梁在简支状态下的受力情况。

图-3

3.2线弹性分析结果

3.2.1梁挠度分析结果 图-3

根据模型计算结果，梁用钢套管加固后，梁中部的挠度比未开洞梁增加1.5%，梁洞口处的挠度比未开洞梁增加1.6%；而梁无钢套管加固时，梁中部的挠度比未开洞梁增加2.9%，梁洞口处的挠度比未开洞梁增加3.5%。开动后未加固梁在洞口处的挠度明显增大，整体刚度也变小，使得梁挠度增大；加固后梁的整体刚度和挠度都得到改善。但两种情况较未开洞梁的挠度都增大很多应引起足够重视。

3.2.2梁洞口中心截面应力分析结果 图-4

根据梁洞口中心截面正应力对比图可以看出，当洞口直径d>0.4h时，开洞梁的洞口处的正截面承载力受到影响，将梁分成了上、下两段小梁，而且上、下两段小梁分别有各自的行心，不再协同工作，所以出现了梁边缘的正应力小于内侧应力的情况；在利用钢套管加固后，改变上述的不利受力状态，使上下两段小梁协同工作，而且由于钢套管的作用减小了混凝土最大正应力值。

根据梁洞口中心截面剪应力对比图可以看出，剪应力分布状况变化不大，但是用钢套管加固的梁的剪应力主要有钢套管承担，使得梁承受剪应力得到缓解。根据剪应力分布状态可以看出，开洞梁承受剪力时是按上、下两段小梁分别承受的，不再是一个整体。

3.2.3梁应力分析结果 图-5 图-6

图-5中，在洞口处所受的剪力通过钢套管的拱壳作用将剪力转移到洞口两侧，从而使洞口处的剪力减小，同时有效地缓解了洞口边缘的应力分布不均匀的状况。经研究发现，转移的应力一般分布在洞口边缘d/4范围内，所以为避免对周围的箍筋产生过大的影响，洞口边缘到相邻箍筋的距离应加以限制。通过图-6可以看出当d>0.4h时，梁的正应力受到影响，正截面承载力减小；在加固后梁的正截面承载力与未开洞梁相比几乎没有差别。

3.3弹塑性分析结果

图-7

经过有限元非线性分析得出，未加固的钢筋混凝土开洞梁裂缝首先出现在洞口底部和洞口上部约45º方向（图-7的①处），随着荷载的继续增加在梁中部（图-7的②处）将出现裂缝而破坏；而经钢套管加固过的梁，破坏模式与未开洞梁相近，首先在梁中部手拉去出现裂缝（图-7的③处），然后裂缝向两端扩展（图-7的④处），最终破坏。所以用钢套管加固后，梁在非线性阶段的受力性能得到了改善，破坏模式与未开洞梁相近。

4 结论与建议

通过以上的理论及有限元分析，得到以下结论：

1）通过有限元分析验证，此种加固验算方法是可行的，但相关理论应进一步完善。

2）梁开洞后的正截面承载力影响不大，斜截面受剪承载力和截面抗弯刚度影响较大，应给予足够重视。

3）梁腹开孔位置应尽可能避免梁弯矩和剪力最大处，不宜设置在跨中和梁两端1/4范围。

4）孔洞的直径应符合构造要求，不宜过大；并在洞口边缘应采取构造措施加固。

5）由于梁开孔降低了梁的整体刚度, 导致其挠度大于普通梁, 因此除了进行强度计算外, 还需计算最大变形加以校核, 以保证其正常工作性能。

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