簡述預制24米跨預應力混凝土折線型屋架靜載試驗與撓度計算

文/劉勇 長沙市城市建設科學研究院 湖南長沙 410000

1、工程基本概況

黃花工業生產基地1#車間是由湖南省電子工程設計院有限公司設計的兩跨單層工業廠房，其屋架為現場疊層預制24米跨預應力混凝土折線型屋架。該屋架下弦桿混凝土設計強度等級為C55，因其留置試塊有兩組未達到設計強度，為確保該混凝土構件的質量能滿足使用要求，湖南永鑫人防機電設備有限公司委托長沙市建設工程質量檢測中心對屋架進行試驗檢測。

2、試驗目的和要求

根據委托方要求，本試驗為標準荷載作用下的非破壞性檢驗，檢測預制24米跨預應力折線型屋架在正常使用狀態短期荷載（標準荷載）作用下是否滿足現行規范的正常使用極限狀態的要求。

3、檢測依據

《預制混凝土構件質量檢驗評定標準》GBJ321-90

《混凝土結構試驗方法標準》GB50152-92

《混凝土結構設計規范》GB50010-2002

《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB50204-2002

國家建筑標準設計圖集 04G415-1

設計方提供的圖紙

4、現場靜載試驗檢測

4.1 資料收集

收集設計圖紙、施工與試件制作記錄等資料。

4.2 結構構件外觀檢查

對構件的跨度、截面、鋼筋的位置等實際尺寸及初始撓曲、變形、原始裂縫、缺陷等作詳細記錄，繪制詳圖。

4.3 構件的安裝就位和試驗裝置

根據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204-2002），試驗結構構件的支承方式、支撐等條件和受力狀況應符合設計要求，試驗布置不應分擔構件承受的試驗荷載，不妨礙構件變形自由發展，且應有足夠剛度。

試驗布置將兩榀屋架平列正位，屋架支座采用鋼筒，安放在廠房獨立柱基杯口邊砼上，兩邊支座經水準儀找平在同一標高位置，同時，根據設計要求，設置側向支承，兩榀屋架采用水平支撐連接，靠近抗風柱一側用鋼筋與屋架上弦焊接連接，已防止構件受力后產生側向彎曲和傾倒，同時，側向支承應不妨礙構件在其平面內的位移，試驗過程中應注意人身和儀表安全，防止構件破壞時試驗設備及構件坍塌。

4.4 試驗荷載、加載方法、加載設備和測點儀表布置

試驗采用屋面板為荷載，20噸吊車分級進行加載試驗。在每榀屋架的下弦桿跨中、腹桿和桁架下弦節點位置上和兩端支座位置安裝百分表測定屋架的撓度，另在跨度方向的支座一端布置水平測點，觀測構件在荷載作用下沿跨度方向的水平位移。

4.5 試驗加載制度及程序

試驗加載制度是指結構試驗進行期間控制荷載與加載時間的關系。它包括加載速度的快慢、加載時間間隙的長短、分級荷載的大小和加載卸載循環的次數等。結構構件的承載能力和變形性質與其所受荷載作用的時間特征有關。不同性質的試驗必須根據試驗的要求制定不同的加載制度。本次結構性能檢測加載要求如下：

（1）本次現場試驗采用吊裝預制屋面板進行均勻加載，單塊屋面板（規格：6000mm×1500mm）的重量為12.78kN；

（2）試驗前進行預加載，預加載值為試驗荷載的20%；

（3）加載共分為八級，前三級荷載為試驗荷載值的20%，第四～六級荷載為試驗荷載值的10%，第七、八級荷載為試驗荷載值的5%；

（4）每級加載完成后，持續15min；在荷載標準值作用下，持續12h。在持續時間內，觀察裂縫的出現和開展，以及鋼鉸線有無滑移等；在持續時間結束時，觀察并記錄各項讀數；

（5）采用分級卸載，每級卸載值取為試驗荷載值的20%，每級卸載完成后，持續15min；

（6）構件的試驗荷載布置符合標準圖或設計的要求；

（7）根據設計的加載要求，加載方式為均布加載，施加于試驗結構構件各個加載部位上的每級荷載按同一個比例加載。

5、檢測結果分析

根據設計方提供的屋面荷載標準值：恒荷載＝3.42kN/m2（含屋面板自重1.42 kN/m2）、活荷載 ＝0.50 kN/m2，正常使用狀態短期荷載值 ＝3.92 kN/m2，計算屋架撓度檢驗允許值如下：

由于該屋架可視為由上弦受彎的梁式桿件和腹桿及下弦受軸力的二力桿組成的組合結構，不考慮次應力的影響，并把上弦荷載及屋架自重荷載化作節點荷載，用數解法求得支座反力后，按絞接桁架，采用圖解法計算桿件軸力，再計算屋架跨中位移。

5.1 荷載

（1）恒荷載 Gk＝3.42kN/m2

（2）活荷載 Qk＝0.50 kN/m2

（3）屋架自重 Pk＝0.78 kN/m2

5.2 上弦節點荷載

5.3 桿件軸向力、彈性模量位移計算

按靜定平面桁架計算，桿件軸向力、位移匯總于下表1

彈性模量計算如下：

?

5.4 屋架跨中位移計算

5.5 檢驗評定依據：撓度檢驗允許值

檢測結果匯總表見下表

?

?

結語：

(1）由于以理想絞接屋架求桿件軸力、位移，實際上屋架節點具有剛性，與絞接的假定有出入。根據有關資料，按絞接與剛接兩種方法計算，影響一般很小。

（2）關于位移計算中，彈性模量E取值，筆者認為，應考慮鋼筋與砼共同工作，按鋼筋與砼各自面積承擔作用力，比較合理。

（3）屋架桿件軸向力計算按最不利荷載布置計算，計算結果與全跨荷載作用相同。