鋼筋混凝土梁加固方法研究

柯昌君，朱淳釗

（長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州434023）

建筑物隨著使用年限的增加，受到多重因素影響，如各類災(zāi)害影響、環(huán)境侵蝕、結(jié)構(gòu)功能改變及設(shè)計(jì)不良或施工失誤等，其結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的性能已不能繼續(xù)滿足功能要求，因而需要進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固，使其重新恢復(fù)使用功能。因此，對鋼筋混凝土梁加固方法的研究具有重要意義。下面，筆者對鋼筋混凝土梁的傳統(tǒng)加固方法以及纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固方法的研究情況進(jìn)行概述，以便為鋼筋混凝土梁的加固提供參考。

1 常用傳統(tǒng)加固方法

鋼筋混凝土梁補(bǔ)強(qiáng)加固方法很多，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可靠性鑒定結(jié)果、結(jié)構(gòu)功能降低及加固的狀態(tài)（即完好情況下的加固還是受損狀態(tài)下的加固），并結(jié)合構(gòu)件的特點(diǎn)，按加固效果可靠、施工簡便、經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行綜合分析后確定［1］。當(dāng)遇到靜力加固時必須考慮構(gòu)件的二次受力問題，加固重點(diǎn)應(yīng)該側(cè)重于構(gòu)件承載力的提高，若是抗震加固則不必考慮結(jié)構(gòu)二次受力，加固重點(diǎn)側(cè)重于結(jié)構(gòu)的延性和整體性。

對于鋼筋混凝土梁的加固主要分為2個方面，一是對已受損鋼筋混凝土梁的加固，使其恢復(fù)原有承載力或超過原有承載力，另外是對完好無損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁的加固，使其提高承載力，從而滿足新的功能要求。目前常用的傳統(tǒng)加固方法包括加大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法和托梁拔柱加固法等。

1.1 加大截面法

加大截面法即采取增大鋼筋混凝土梁的截面面積、增強(qiáng)構(gòu)件的剛度、提高其承載力以滿足正常使用的一種加固方法，其主要做法是增加原構(gòu)件的受力鋼筋，并同時在外側(cè)重新澆筑混凝土，以此來增加截面尺寸并達(dá)到提高承載力，可廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的梁、板、柱等構(gòu)件和一般構(gòu)筑物的加固。金國芳等［2］利用加大截面法對4個十字形鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行加固，不僅提高了節(jié)點(diǎn)的開裂荷載、剛度、屈服荷載和極限荷載，還提高其耗能能力和延性，同時使得框架由 “強(qiáng)梁弱柱弱節(jié)點(diǎn)”變成“強(qiáng)柱強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱梁”。加大截面法的工程現(xiàn)場應(yīng)用照片如圖1所示。

圖1 加大截面法應(yīng)用現(xiàn)場照片

1.2 外包鋼加固法

外包鋼加固法是用化學(xué)材料（如乳膠水泥、環(huán)氧樹脂等）灌漿或焊接等方法對梁四周外包的型鋼進(jìn)行加固的方法。Roberts T M等［3］對用鋼板加固的鋼筋混凝土梁的受力特性進(jìn)行了理論分析，認(rèn)為該方法主要通過約束原構(gòu)件來提高其承載能力和變形能力，能大幅度提高構(gòu)件的抗壓和抗彎性能。外包鋼加固法現(xiàn)場應(yīng)用照片如圖2所示。

圖2 外包鋼加固法應(yīng)用現(xiàn)場照片

1.3 粘鋼加固法

粘鋼加固是在鋼筋混凝土梁表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)鋼板，以提高結(jié)構(gòu)承載力和變形能力的一種加固方法。李文盛［4］對10根鋼筋混凝土梁進(jìn)行粘鋼加固試驗(yàn)，結(jié)果表明，鋼板與原梁一起參與受彎作用，改善了混凝土的抗拉性能，阻止并限制了混凝土中裂縫的發(fā)展，提高了鋼筋混凝土梁的極限抗彎承載力，同時提高了原有梁的開裂彎矩及構(gòu)件剛度，增加其抵抗變形的能力。粘鋼加固法現(xiàn)場應(yīng)用照片如圖3所示。

圖3 粘鋼加固法應(yīng)用現(xiàn)場照片

1.4 預(yù)應(yīng)力加固法

預(yù)應(yīng)力加固法是通過預(yù)應(yīng)力鋼筋對梁施加預(yù)應(yīng)力，以承擔(dān)構(gòu)件所承受的部分荷載，從而達(dá)到提高構(gòu)件承載力的方法，通常做法是采用外加預(yù)應(yīng)力鋼拉桿或鋼撐桿，這樣可以改變原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分布并降低應(yīng)力水平，消除在加固結(jié)構(gòu)構(gòu)件過程中所特有的應(yīng)力應(yīng)變滯后現(xiàn)象。張繼文等［5］通過對10根簡支梁開展了預(yù)應(yīng)力加固試驗(yàn)研究，認(rèn)為預(yù)應(yīng)力加固法是一種 “能動”的有效加固法，即在施工階段預(yù)加應(yīng)力時就開始起補(bǔ)強(qiáng)加固作用，從而克服了其他加固法普遍存在的應(yīng)力滯后問題。此外，使用該方法不但能提高加固梁的承載力，而且能改善其使用性能，且正截面和斜截面的承載力均有一定提高。預(yù)應(yīng)力加固法現(xiàn)場應(yīng)用照片如圖4所示。

圖4 預(yù)應(yīng)力加固法應(yīng)用現(xiàn)場照片

1.5 增設(shè)支點(diǎn)加固法

增設(shè)支點(diǎn)加固法是通過在梁上增設(shè)支點(diǎn)或支撐構(gòu)件來減小梁的計(jì)算跨度，以達(dá)到減少作用在被加固梁上的荷載效應(yīng)，同時又提高結(jié)構(gòu)承載力水平的加固方法。根據(jù)支承構(gòu)件的變形性能，該方法分為剛性支點(diǎn)法和彈性支點(diǎn)法。剛性支點(diǎn)法是通過支承構(gòu)件的軸心受壓或軸心受拉將荷載直接傳給基礎(chǔ)或柱子的一種加固方法，彈性支點(diǎn)法是以支承構(gòu)件的受彎或桁架作用間接傳遞荷載的一種加固方法。相對而言，剛性支點(diǎn)法對結(jié)構(gòu)承載能力提高影響較大，彈性支點(diǎn)法對結(jié)構(gòu)使用空間影響較小。王恒華等［6］通過對某商場樓蓋體系的加固設(shè)計(jì)，運(yùn)用增設(shè)支點(diǎn)加固方法，改變了樓面荷載的傳遞路徑，增大了樓蓋整體剛度，有效控制了樓蓋的撓曲變形。

1.6 托梁拔柱加固法

托梁拔柱加固法即是在不拆或者少拆上部結(jié)構(gòu)的情況下，拆除、更換、接長柱子或拆除墻體的一種綜合性技術(shù)。常見的有托屋架拔柱、托梁拆墻及托梁拔柱等。趙峰等［7］在某辦公樓中加固施工中通過增設(shè)鋼梁，采用鋼筋將原有混凝土梁與新增鋼梁連為一體，從而形成鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)受力，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 FRP加固方法

根據(jù)纖維種類的不同，F(xiàn)RP材料分為玻璃纖維（GFRP）、碳纖維（CFRP）、芳綸纖維（AFRP）和玄武巖纖維（BFRP）等類型。FRP材料因具有良好的比強(qiáng)度、比剛度、無腐蝕性、較好的耐熱性、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，同時又不增加構(gòu)件自重和體積，使得該材料廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)加固中。FRP加固鋼筋混凝土梁是通過將FRP材料通過膠粘劑粘貼于梁構(gòu)件表面作為梁的受拉部分或者包裹梁以環(huán)向約束的形式提高混凝土梁構(gòu)件的抗力。FRP加固方法與傳統(tǒng)加固方法相比，其具有如下優(yōu)勢：施工便捷、適用面廣；加固后不增加構(gòu)件尺寸且可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；破損安全性好；抗腐蝕性及耐久性好；阻尼減震性好。FRP加固方法可分為非預(yù)應(yīng)力FRP加固和預(yù)應(yīng)力FRP加固。

2.1 非預(yù)應(yīng)力FRP加固方法

非預(yù)應(yīng)力FRP加固方法是將FRP材料通過膠粘劑直接粘貼在鋼筋混凝土梁上，其中最為突出的問題是對高強(qiáng)高性能FRP材料的利用率非常低，F(xiàn)RP高強(qiáng)度的特點(diǎn)僅在梁中主筋屈服后才充分發(fā)揮出來，而在主筋屈服前，F(xiàn)RP所起的作用有限。因此，它對提高被加固梁的開裂荷載及屈服荷載作用不是十分明顯，對鋼筋混凝土梁在正常使用階段的性能的改善也有限，其不足之處主要表現(xiàn)在加固利用率低、對梁的剛度等性能提高小、加固效果受梁構(gòu)件的外觀質(zhì)量及膠粘劑性能的影響較大。

吳剛等［8］對用CFRP材料加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了抗彎試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，采用上述方法對少筋梁的加固效果明顯，試驗(yàn)研究表明，貼1層CFRP材料加固后梁的極限承載力提高143%，貼3層CFRP材料加固后梁的極限承載力提高233%以上，提高程度與CFRP材料的粘貼層數(shù)呈非線性關(guān)系，CFRP加固對梁的剛度提高作用很小。

在GFRP材料加固鋼筋混凝土梁研究方面，王文煒［9］利用GFRP材料對19根鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)GFRP材料加固的鋼筋混凝土梁抗彎承載力提高較多，加固效果明顯；混凝土強(qiáng)度、配筋率、加固量、梁剪跨區(qū)或梁端有無錨固條對抗彎承載力有顯著影響；加固量、剪跨比、錨固條、粘貼長度對鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)也有影響。

黃麗華等［10］對鋼筋混凝土梁分別粘貼GFRP、CFRP以及BFRP材料進(jìn)行加固，研究發(fā)現(xiàn)，粘貼不同纖維材料將產(chǎn)生不同破壞類型，其中CFRP材料加固的鋼筋混凝土梁的承載力和延性提高最大，而用BFRP材料加固的性價比最優(yōu)。此外，初始損傷對加固效果影響不大。

張慎偉等［11］利用AFRP材料加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗彎性能靜載試驗(yàn)，分析了試驗(yàn)梁的破壞過程、破壞特征、受力特點(diǎn)及影響因素（粘貼層數(shù)和配筋率），結(jié)果表明，粘貼AFRP材料可以明顯增加鋼筋混凝土梁的抗彎剛度，有效提高鋼筋混凝土梁的抗彎承載能力和構(gòu)件的延性。魏凝［12］利用AFRP材料加固13根鋼筋混凝土梁進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，鋼筋混凝土梁的極限承載力明顯提高，且隨粘貼AFRP材料層數(shù)的增加而增加，但提高程度與加固層數(shù)呈非線性關(guān)系。此外，在AFRP材料粘貼層數(shù)相同時，被加固梁的配筋率越低，其加固效果越明顯。

2.2 預(yù)應(yīng)力FRP加固方法

與非預(yù)應(yīng)力FRP加固方法相比較，預(yù)應(yīng)力FRP加固方法表現(xiàn)出更好的應(yīng)用效果。首先，利用該方法能夠重新調(diào)整原梁內(nèi)力狀態(tài)及其應(yīng)力水平，實(shí)現(xiàn)對梁受拉鋼筋的卸荷，部分或全部恢復(fù)梁變形，閉合裂縫。其次，利用該技術(shù)能夠較大程度地減少FRP材料的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，充分發(fā)揮出FRP高強(qiáng)材料的加固效果。此外，從預(yù)應(yīng)力施加情況中能直觀反映出加固效果。目前對預(yù)應(yīng)力FRP加固梁的受力性能已進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，研究內(nèi)容涉及構(gòu)件的抗彎、抗剪、抗壓、抗震的性能和粘貼方式、錨固技術(shù)、粘貼材料、耐久性等方面。

亓濤［13］進(jìn)行了CFRP加固鋼筋混凝土梁抗彎性能的試驗(yàn)，研究分析了CFRP初始預(yù)應(yīng)變和加固量對梁受力性能的影響。結(jié)果表明，采用CFRP加固方法顯著提高了鋼筋混凝土梁的承載力，延緩了裂縫的發(fā)展速度，且相同荷載下加固梁的撓度明顯小于未加固梁。程東輝等［14］研究了持荷狀態(tài)下CFRP加固鋼筋混凝土梁彎剪區(qū)段的性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，持荷狀態(tài)下CFRP加固鋼筋混凝土梁斜截面能夠抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高斜截面受剪承載力。

杜修力等［15］研究了非預(yù)應(yīng)力AFRP和預(yù)應(yīng)力AFRP加固鋼筋混凝土梁的效果，結(jié)果表明，非預(yù)應(yīng)力FRP加固的試驗(yàn)梁相較未加固的基準(zhǔn)梁，其開裂彎矩、屈服彎矩和極限彎矩均有小幅提高；而預(yù)應(yīng)力AFRP加固法相對非預(yù)應(yīng)力AFRP加固法，其開裂荷載顯著提高，屈服荷載與極限荷載明顯提高，從而顯著提高了鋼筋混凝土梁的抗彎性能。

謝建和等［16］探討了加固梁中FRP與混凝土之間界面疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，與無預(yù)應(yīng)力FRP加固梁相比，預(yù)應(yīng)力FRP加固梁界面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子明顯偏大。吳棟等［17］利用嵌入式CFPR筋和外貼CFPR／BFRP混雜布加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，與無預(yù)應(yīng)力加固方法相比，利用上述能夠進(jìn)一步提升鋼筋混凝土梁的開裂荷載和屈服荷載，由此提高其服役性能。

張建偉等［18］研究低周反復(fù)荷載作用下不同預(yù)應(yīng)力種類和預(yù)應(yīng)力度對鋼筋混凝土梁抗震性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力度是影響梁抗震性能的主要因素，具體表現(xiàn)如下：鋼筋混凝土梁抗震性能隨預(yù)應(yīng)力度的增加而逐漸降低；在同等預(yù)應(yīng)力度的條件下，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁的耗能能力最強(qiáng)，從而更加有利于建筑結(jié)構(gòu)抗震。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑加固修復(fù)材料更加輕質(zhì)高強(qiáng)，同時鋼筋混凝土梁加固方法更加成熟，尤其是預(yù)應(yīng)力FRP加固方法可以充分利用FRP的高強(qiáng)度性能，改變了鋼筋混凝土梁的破壞模式并顯著提高其極限承載力，能夠滿足鋼筋混凝土梁正常使用極限狀態(tài)的要求，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。今后，需要在粘結(jié)界面的剝離破壞機(jī)理、合理有效的錨固方法、膠粘劑（結(jié)構(gòu)膠）的性能等方面進(jìn)一步加強(qiáng)研究，以便使鋼筋混凝土梁加固方法更加完善。

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