建筑加層后鋼筋混凝土梁加固方法

□文/李慶芳

在工業(yè)與民用建筑建設(shè)中，改擴(kuò)建工程經(jīng)常遇到，因此建筑結(jié)構(gòu)工程中的結(jié)構(gòu)加固就成為必然要面對(duì)的問(wèn)題。認(rèn)清原有結(jié)構(gòu)的受力特征，減少加固的施工難度，減少對(duì)原有結(jié)構(gòu)的破壞，是解決結(jié)構(gòu)加固的首要考慮。

1 工程概況

某工廠一單層包裝車間，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屋面高度7.0 m，屋面結(jié)構(gòu)采用主次梁布置。為滿足工藝需求，現(xiàn)增加一層。原設(shè)計(jì)屋面活荷載1 kN/m2，加層之后的樓面設(shè)計(jì)活荷載為10 kN/m2。梁、板、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40，平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 屋面模板配筋

2 結(jié)構(gòu)分析

KL-1梁加載前后的受力情況見(jiàn)表1和表2。

表1 KL-1梁加載前后的配筋 mm

表2 KL-1梁加載前后的受力

由表1和表2可知，鋼筋混凝土梁跨中彎矩超出加固之前最大承載力的63.2%，支座彎矩超出加固之前最大承載力的34.7%，剪力滿足要求，撓度用到了最大允許撓度的73.3%，跨中配筋相差53.8%，支座配筋相差50%。由此可知，加載之后鋼筋混凝土梁承載力明顯不夠，須對(duì)此鋼筋混凝土梁加固。

3 加固計(jì)算

3.1 正截面加固

鋼筋混凝土梁正截面加固見(jiàn)圖2。

圖2 KL-1梁加固

1）跨中截面加固計(jì)算。在自重作用下混凝土受壓區(qū)高度x為

式中：ε——梁受壓區(qū)高度系數(shù)；

ho——梁截面有效高度，965 mm；

α——梁截面抵抗矩系數(shù)；

M1——梁自重作用下的彎矩設(shè)計(jì)值，408.7 kN·m；

f c——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，19.1 N/mm2；

bf——T形截面受壓區(qū)翼緣計(jì)算寬度，2 200 mm。

根據(jù)式（1）～（3）得x=11 mm。

在板頂面開(kāi)槽約35 mm(鑿去板頂面后澆層)，則x1=11+35=46（mm）。

H型鋼的抗拉力N1=A·f=[12×520+12×(520-24×2)+12×126]×310=4 158 960（N）

式中：A——H型鋼凈截面面積，mm2；

f——鋼材的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(Q345)，N/mm2。

混凝土受壓區(qū)高度x1=ε·ho-x1=0.544×965-46=478（mm）

混凝土抗壓力NO=f c·bf·hf1+f c·b·(x1-hf1)=19.1×2 200×(150-46)+19.1×400×(478-150-46)=6 524 560（N）

式中：hf1——T形截面受壓區(qū)翼緣計(jì)算高度，mm；

b——鋼筋混凝土梁截面寬度，mm。

H型鋼的抗拉力N1＜混凝土抗壓力NO。

按H型鋼的抗拉力計(jì)算加固后梁的承載力。

x2=N1/（bf·f c）=4 158 960/（2 200×19.1）=99（mm）

式中：x2——按H型鋼的抗拉力計(jì)算的混凝土受壓區(qū)高度，mm。

則加固后梁的跨中受彎承載力M2=ζ·e·N1+M1=0.5×(0.855+0.15/2+0.099/2)×4158.96+408.7=2446（kN·m）＞1 287 kN·m，滿足要求。

式中：ζ——考慮H型鋼與混凝土接觸面受力之后產(chǎn)生相對(duì)滑移，從而對(duì)整體強(qiáng)度的折減系數(shù)，宜取 0.5～0.8；

e——H型鋼形心到混凝土受壓區(qū)高度x2形心之間的距離。

2）支座處受彎承載力計(jì)算。將H型鋼截面換算為混凝土截面bt=A·Es/（Ec·h1）=13 416×206×103/（32.5×103×150）=567（mm）

式中：bt——經(jīng)換算后的H型鋼寬度，mm；

h1——H型鋼的計(jì)算高度，mm；

Es——鋼材的彈性模量，kPa；

Ec——混凝土的彈性模量，kPa。

支座處混凝土受壓區(qū)高度x3=As·f y/（bt·f c）=3 927×300/（567×19.1）=109（mm）

式中：As——支座處受力鋼筋截面面積，mm；

f y——Ⅱ級(jí)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kPa。

則加固后梁的支座處受彎承載力M3=As·f y·（h2-x3/2）=3 927×300×（1 000+150-70-109/2）=1 208（kN·m），加載之后支座處彎矩為-1 320 kN·m與加固之后支座受彎承載力比較接近。

式中：h2——加固之后支座處梁截面有效高度，mm。

3.2 斜截面實(shí)際抗剪承載力

加固后的鋼筋混凝土梁可以考慮斜截面混凝土、原鋼筋混凝土梁箍筋、U型螺栓、H型鋼腹板4種因素來(lái)承擔(dān)剪力。

V=Vc+Vs+Vu+Vb=0.7·f t·b·ho+1.25·f yv·(Asv/s)·ho+f yu·(Asu/su)·ho+bv·hf·f v=0.7×1.71×400×965+1.25×210×(201/100)×965+0.5×210×(760/200)×965+12×(150-24)×125=1545(kN)＞979.5 kN，抗剪強(qiáng)度提高了57.7%。

式中：Vc——鋼筋混凝土梁斜截面上混凝土受剪承載力設(shè)計(jì)值，kN；

Vs——鋼筋混凝土梁斜截面上箍筋受剪承載力設(shè)計(jì)值，kN；

Vu——鋼筋混凝土梁斜截面上U型螺栓受剪承載力設(shè)計(jì)值，kN；

Vb——H型鋼腹板受剪承載力設(shè)計(jì)值，kN；

f t——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/mm2；

f yv——箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/mm2；

f yu——U型螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/mm2；

f v——鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/mm2；

Asv——同一截面內(nèi)箍筋各肢的總截面面積，mm2；

Asu——同一截面內(nèi)U型螺栓各肢的總截面面積，mm2；

s——沿鋼筋混凝土梁長(zhǎng)度方向箍筋間距，mm；

su——沿鋼筋混凝土梁長(zhǎng)度方向U型螺栓間距，mm；

bv——H型鋼腹板寬度，mm；

hf——H型鋼腹板高度，mm。

4 構(gòu)造措施

采用上述加固計(jì)算須保證混凝土梁與H型鋼的整體性，為使上述計(jì)算公式與實(shí)際受力模型相符合，工程實(shí)踐中采取了以下主要構(gòu)造措施。

1）混凝土梁底必須鏟平，使H型鋼與混凝土梁底緊密結(jié)合。梁底與型鋼上翼緣用化學(xué)螺栓或膨脹螺栓連接。

2）U型螺栓須采用雙螺帽擰緊，防止螺帽松動(dòng)。

3）整個(gè)截面外包強(qiáng)度等級(jí)不低于C25的細(xì)石混凝土，附加鋼筋網(wǎng)片φ6 mm@200 mm。

4）在混凝土樓板頂部將后澆層剔除。

5）H型鋼端部與混凝土柱的構(gòu)造連接見(jiàn)圖3。

圖3 H型鋼端部與混凝土柱的連接

5 結(jié)語(yǔ)

在結(jié)構(gòu)加固工程中，加固方案靈活多變，所涉及到的加固計(jì)算也各不相同，采用本文介紹的加固計(jì)算及構(gòu)造措施，有效解決了鋼筋混凝土梁的強(qiáng)度和撓度問(wèn)題，同時(shí)加固后的鋼筋混凝土梁截面較小，使房屋的凈空得到了保證。

［1］GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］CECS 25：90，混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.