鋼筋混凝土梁加固方法及分析

劉相

(遼東學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，遼寧丹東118003)

在實際工程中，常常因為設(shè)計不周、施工質(zhì)量差、施工現(xiàn)場管理不善等原因，導(dǎo)致鋼筋混凝土梁等受彎構(gòu)件承載力不足，引起承載力不足的原因還有火災(zāi)使鋼筋混凝土梁的混凝土及鋼筋強度降低，或者由于改變結(jié)構(gòu)的使用功能而使梁承受的荷載增加等等。當(dāng)出現(xiàn)這些情況時，需對鋼筋混凝土梁進行加固。鋼筋混凝土梁的加固方式有很多，而常用的傳統(tǒng)加固方式有增大截面法、粘結(jié)鋼板法等。近年來隨著碳纖維布材料在土木工程中的應(yīng)用和發(fā)展，出現(xiàn)了粘碳纖維布加固法和復(fù)合加固等新型加固方法，本文主要對這幾種加固方式的特點及設(shè)計方法進行分析。

1 傳統(tǒng)加固方法

1.1 增大截面加固法

增大截面加固法是指在構(gòu)件的上面或下面澆一層新混凝土和補加相應(yīng)的鋼筋，以提高構(gòu)件的承載力，此方法較直觀。在構(gòu)件的受壓區(qū)補澆混凝土?xí)r，可以有效地增加構(gòu)件的有效高度，從而提高構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力，增大構(gòu)件的剛度;在受拉區(qū)補澆混凝土，可對補澆的鋼筋起到粘結(jié)和保護作用。

1.1.1 新舊混凝土各自獨立工作(受壓區(qū)補澆混凝土)

由于后澆層與原構(gòu)件之間結(jié)合面未能很好地處理，新舊混凝土粘結(jié)強度不夠，此時，構(gòu)件受力后，不能保證其變形符合受彎平截面假定，而只能將新舊混凝土視為各自獨立工作考慮，承擔(dān)的彎矩按新舊混凝土截面剛度進行分配。

式中:hx為新混凝土高度;hj為舊混凝土高度。Mx為新混凝土承擔(dān)的彎矩;Mj為舊混凝土承擔(dān)的彎矩;Kx為新混凝土的截面剛度;Kj為舊混凝土的截面剛度;Mz為構(gòu)件承擔(dān)的總彎矩。

1.1.2 新舊混凝土整體工作(受壓區(qū)補澆混凝土)

新舊混凝土獨立工作時，其承載力較低，因此對構(gòu)件加固，應(yīng)盡量使新舊混凝土共同工作，而要保證新舊混凝土共同工作，則新舊混凝土結(jié)合面可采取以下措施:⑴將原構(gòu)件頂面鑿毛、洗凈，并隔一定間距鑿一凹槽，以便二次澆筑混凝土?xí)r形成剪力鍵。⑵將原構(gòu)件表面鑿毛、洗清后，涂上一層粘結(jié)力強的漿液(如丙乳膠水泥漿，107膠聚合水泥漿)，同時澆筑新混凝土。⑶在后澆層中加配箍筋及架立筋，并設(shè)法與原構(gòu)件中的鋼筋連接或錨入原構(gòu)件混凝土中。⑷由于在加固前，構(gòu)件已承受彎矩，而后澆之疊合層，只承擔(dān)后加荷載，因此，疊合層的混凝土應(yīng)力較原混凝土滯后，而鋼筋的應(yīng)力超前，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，疊合構(gòu)件的計算與混凝土整澆梁采用相同的正截面承載力計算方法。但是疊合構(gòu)件的原受拉鋼筋應(yīng)力σs=σs1+σs2≤0.9 fy，式中，σs1為后澆混凝土參與工作之前在原彎矩M1作用下原鋼筋應(yīng)力，σs1=M1/(AS×η1×h0);σs2為后澆混凝土參與工作之后在新增彎矩M2作用下原鋼筋新增加的應(yīng)力，σs2=M2×(1－β)/(AS×η2×h0);η1、η2為裂縫截面的內(nèi)力臂系數(shù)，可取0.87;AS為受拉鋼筋的面積。

1.1.3 受拉區(qū)增厚并增加鋼筋

在梁底面增加混凝土厚度的主要目的在于增加受拉鋼筋，通常是緊貼原梁底增加受拉鋼筋，將增加受拉筋與原主筋聯(lián)結(jié)。為了增大內(nèi)力偶力臂，也可在受拉區(qū)增厚混凝土，這時增加的拉筋可通過附加彎起筋與原主筋焊接。當(dāng)受拉區(qū)厚度較大時，還應(yīng)增加U形箍筋，并與原結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)牢固。在受拉區(qū)增加鋼筋加固的構(gòu)件可按一般受彎構(gòu)件計算，其計算公式:

其中εbh02≤x≤2as'

1.2 粘結(jié)鋼板加固法

粘結(jié)鋼板法通常用于加固受彎構(gòu)件，只要粘結(jié)材料質(zhì)量可靠，施工質(zhì)量良好，則當(dāng)截面達到極限狀態(tài)時，粘結(jié)在梁受拉邊的鋼板可以達到屈服強度，但必須保證鋼板在拉斷之前不發(fā)生脫膠等粘結(jié)破壞現(xiàn)象，即外部粘結(jié)加固鋼板的錨固至關(guān)重要。其截面承載力可按下式進行計算:

式中，fy為原縱向鋼筋抗拉強度設(shè)計值，fy'為原縱向鋼筋抗壓強度設(shè)計值，As為原構(gòu)件縱向受拉鋼筋截面積，As'為原構(gòu)件縱向受壓鋼筋截面積，fay為加固鋼板抗拉強度設(shè)計值，Aa為加固鋼板截面積，0.9為考慮加固鋼板應(yīng)力滯后等不利因素的折減系數(shù)，x為混凝土受壓區(qū)高度，b為原構(gòu)件截面寬度，h01為加固后截面的有效高度。

2 碳纖維布加固法

碳纖維布加固受彎構(gòu)件通常是在梁底面粘貼CFRP板，在粘貼CFRP板之前，首先應(yīng)將梁底粘貼區(qū)域進行表面處理。適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚淼哪康脑谟谌コ炷帘砻娴谋∪鯇?，露出堅實的混凝土層并打磨平整，以保證混凝土與CFRP間粘結(jié)可靠。為了防止CFRP板端部的剝離，可以采取附加錨固措施。常見的做法將CFRP U形箍粘貼或用螺栓錨固于端部，用于端部錨固的附加CFRP條帶既可以纏繞整個梁截面，也可以只覆蓋梁高的一部分。其計算公式:

式中，Acf為受拉面粘貼的碳纖維片材截面面積，fcf為碳纖維布的抗拉設(shè)計強度。對于fcf的值可取其達到允許極限應(yīng)變時的應(yīng)力值，即

3 工程算例

一框架梁凈跨6.3 m，混凝土強度等級C35，鋼筋Ⅱ級，截面b×h=400 mm×800 mm，梁跨中原設(shè)計彎矩為M=355 kN·m，受拉主筋4φ22，As=1 520 mm2，受壓鋼筋為4φ20，As'=1 256 mm2?，F(xiàn)房屋用途有改變，需承擔(dān)彎矩M=470 kN·m。試選擇加固方案。

方案一:在框架梁受拉區(qū)增加混凝土厚度為60 mm，采用C35。經(jīng)計算需增加的受拉鋼筋A(yù)s=504.67 mm2，選用2φ18即可。

方案二:在框架梁底面粘結(jié)Q235鋼板，厚度5 mm，經(jīng)計算鋼板Aa=729.54 mm2，此時寬度145.9 mm，選用鋼板寬150 mm。

方案三:在框架梁底面粘結(jié)碳纖維布，經(jīng)計算Acf=80.41 mm2，選用兩層碳纖維布，寬度與梁等寬，厚度0.222 mm。

從以上三個方案可以看出，在達到相同承載力的時候，碳纖維布加固法所用的加固材料最少，且厚度最小。

4 結(jié)論

(1)加大截面法對承載力提高較多。但是對構(gòu)件自重增加較大，降低建筑空間的高度且施工較復(fù)雜。粘結(jié)鋼板法可以較大程度提高承載力。但鋼板潛力難于發(fā)揮，不好粘貼，且鋼板防腐處理也較難。碳纖維布加固法是一項新型高效的加固補強技術(shù)，具有明顯的高強、高效、施工便捷、適用面廣等優(yōu)點，缺點是價格比較貴。

(2)對受彎構(gòu)件進行加固設(shè)計需考慮加固材料與原構(gòu)件共同作用問題，若加固材料不能達到其強度限制，需考慮一定的折減。

(3)加大截面法、粘結(jié)鋼板法等傳統(tǒng)的加固方法與碳纖維布加固法都要考慮加固材料(如鋼筋、鋼板與碳纖維布)能有效的錨固在其原構(gòu)件上。

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