框架梁負彎矩區粘鋼加固錨固方法試驗研究

趙更歧，余 剛

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州450001)

0 引言

在實際工程中，由于設計缺陷或者建筑物功能發生改變等原因而導致框架梁負彎矩區配筋不足的情況經常發生.在對這些結構及構件進行加固處理的方法當中，粘貼鋼板加固法由于其眾多的優點而經常被采用［1－3］.對此類承載力不足問題的處理可以采用在梁負彎矩受拉區粘貼鋼板的方法對框架梁進行加固［4－6］.《混凝土結構加固設計規范》GB 50367—2006［7］亦給出了處理此類問題的方法，該方法是在梁端頂部粘貼L型鋼板，用U型箍板及錨栓將L型鋼板固定于梁及柱上，并對鋼板在梁及柱上的延伸長度和錨栓的等級和數量做出了規定，但該錨固方法對于U型箍板在梁及柱的定位問題未做出明確的規定.L型鋼板受力時，在梁柱的轉角部位稍有變形，則所粘鋼板就不能發揮其作用.為了找到行之有效的錨固方法來提高對所粘鋼板的錨固能力，筆者對梁端負彎矩區抗彎不足的情況采用粘貼鋼板進行加固，并采用4種不同的錨固方法進行試驗研究.

1 試驗方案和試件設計

1.1 試驗方案

對三榀H型鋼筋混凝土框架的梁端負彎矩區采取不同的錨固方法進行粘貼L形鋼板加固，在梁端框架柱承受相同豎向力的條件下對框架梁采取三分點加載，研究在每一種錨固方法下鋼板的受力情況.

1.2 試件設計

為了便于比較，制作了三榀框架試件.梁柱截面設計尺寸均相同，混凝土均采用C35商品混凝土，主要考慮以下幾點：①加固在無負荷情況下進行，不考慮二次受力影響;②主要研究梁端負彎矩不足的加固，跨中及抗剪設計較強，保證在梁端負彎矩區首先出現抗彎承載力不足的破壞;③對比梁全配筋，加固梁配筋較小，不足部分按照等強代換，采用粘貼鋼板予以彌補.具體試件尺寸及參數見表1.

加固鋼板在梁、柱轉角處呈L型，向梁端延伸800 mm，向柱上端延伸250 mm，在梁、柱延伸段鋼板上分別設三道和一道3 mm×80 mm的U形箍板，用直徑為10 mm的螺桿錨入梁柱中.錨固方法一(節點3)：在L型鋼板轉角處加焊L50 mm×5 mm等邊角鋼，通過增加轉角處的厚度來增大轉角剛度;錨固方法二(節點4)：在L型鋼板在轉角處加焊2塊80 mm×60 mm×10 mm的三角形加勁肋鋼板，通過肋板來增大轉角處的剛度;錨固方法三(節點5)：柱上箍板下邊緣距梁頂30 mm，基本不增大轉角剛度;錨固方法四(節點6)：柱上箍板下邊緣緊貼梁頂面，由箍板來抵御轉角的翹曲，間接增大轉角剛度.如圖1所示.

?

1.3 測點布置及量測方法

在框架梁端縱筋和跨中截面的縱筋處，以及梁柱交界處梁端混凝土側表面和鋼板上粘貼應變片，以此來測量在各級荷載作用下各測點處的應變;在框架梁端底部以及梁的跨中布置位移計以測量各級荷載作用下的撓度.

1.4 試驗加載裝置

本試驗為靜力加載試驗，采用如圖2所示的靜力加載裝置.首先用同步鋼在兩個柱子上施加200 kN的恒定壓力，在框架梁上的靜力加載采用三分點加載的方式，觀察并及時畫出梁上出現的裂縫，記錄在每級荷載作用下的數據，觀察每級荷載下梁上裂縫的變化，以及粘貼在節點處的鋼板和粘鋼膠的變化，直至試件完全破壞為止.

2 試驗現象及結果

2.1 試驗現象

3個試驗梁均在荷載為30 kN時出現裂縫，對比梁中的梁端負彎矩區的縱向受拉鋼筋分別在荷載大小為150 kN和180 kN時達到屈服應變和極限拉應變.加固梁Ⅱ的節點3處梁端負彎矩區的縱向受拉鋼筋在荷載為110 kN和145 kN時達到屈服應變和極限拉應變;節點4處的梁端縱向受拉鋼筋在達到屈服應變和極限拉應變時的荷載大小分別為145 kN和170 kN.加固梁Ⅲ中節點5處的梁端負彎矩區縱向受拉鋼筋在荷載大小為90 kN和130 kN時達到屈服應變和極限拉應變;節點6處的梁端負彎矩區縱向受拉鋼筋在達到屈服應變和極限拉應變時的荷載大小分別為110 kN和150 kN.加固梁Ⅱ和加固梁Ⅲ上粘貼的鋼板均在梁開裂后與梁頂面持續發生剝離直至試件破壞.

圖2 加載裝置圖Fig.2 Loading devices

2.2 試驗特征值

為了便于比較，取以下幾個特征值進行比較，如表2所示，其中，屈服荷載指梁端縱向受拉鋼筋達到屈服時的試驗荷載，極限承載力以梁端縱向受拉鋼筋達到極限拉應變時的荷載為依據，撓度為試件破壞時梁跨中的撓度.

表2 試件的特征荷載Tab.2 Characteristic loads of frame

3 試驗現象分析

3.1 開裂荷載

三根梁的開裂荷載均為30 kN，說明梁開裂荷載的大小主要由混凝土的截面尺寸及混凝土的強度等級決定，配筋對鋼筋混凝土構件的開裂荷載影響不大，這與規范規定一致.

3.2 屈服荷載

取梁柱轉角處鋼筋和鋼板的荷載—應變曲線，如圖3所示.比較鋼筋達到屈服時相同部位鋼板的應變(應力)大小可以看出，在梁端受拉鋼筋達到屈服應變時，節點4處的鋼板應變值最大，節點3和節點5次之，節點6處的鋼板應變最小.由此可以判斷鋼板在錨固方法二下更能發揮作用.從表2及圖3中屈服荷載的大小上，可以看出不論哪種加固方法，加固梁的屈服荷載都比對比梁I的屈服荷載小，所以在加固設計時應該考慮對鋼板利用值的折減(與規范規定一致).

圖3 轉角處L形鋼板及鋼筋荷載—應變曲線Fig.3 The load-stress curve of L shape steel plate and reinforced in the corner

3.3 極限承載力

由表2及圖3所示梁柱轉角處鋼筋和鋼板的荷載—應變曲線.比較4種錨固方法下鋼筋達到極限應變時的荷載大小可以看出：在錨固方法二下的荷載值最大，采用錨固方法一和錨固方法四時次之，錨固方法三下荷載值最小.從鋼筋達到極限應變時相同部位鋼板的應變(應力)大小可以看出：在梁端受拉鋼筋達到極限拉應變時，節點4上的鋼板應變值是4個梁端所粘貼鋼板中最大的，由此可以判斷出鋼板在錨固方法二下更能發揮作用，說明這種錨固方法比其他3種方法更好.同時，從加固梁Ⅱ和加固梁Ⅲ中各梁端負彎矩區縱向受拉鋼筋極限承載力的大小上，可以看出不論哪種加固方法，都比對比梁Ⅰ的極限承載力小，所以在加固設計時應該考慮鋼板利用值的折減.

3.4 撓度

圖4為三根梁跨中的荷載—撓度曲線，由圖中可以看出：在同級荷載下，對比梁I的的跨中撓度最小，而在被加固的兩個梁中，加固梁Ⅱ的跨中撓度較加固梁Ⅲ小，說明在同級荷載下，錨固方法一和錨固方法二比其它2種錨固方法的效果好.

圖4 梁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ跨中荷載—撓度曲線Fig.4 The load-deflection curve ofⅠ、Ⅱ、Ⅲ beam

4 結論

(1)2個加固梁的承載力均比對比梁小，說明在采用粘貼鋼板加固框架梁負彎矩區鋼筋不足后仍不能達到對比梁的效果，這與加固規范中對粘鋼加固需考慮鋼板利用值的折減的要求是一致的.

(2)加固梁Ⅱ中的錨固方法四鋼板的應力(應變)為4種錨固方法中最大.說明這種錨固方法可以使鋼板更有效地發揮其抗拉能力，提高對鋼板的利用值，從而提高框架梁的承載力.

(3)在采用粘貼鋼板的方法加固梁端負彎矩區時，柱上箍板距梁頂面的距離越小，錨固效果越好.建議加固規范中對柱上箍板距梁頂的距離有所規定，盡可能使柱上箍板貼近梁頂，從而發揮鋼板的作用，增強錨固能力.

(4)總之，為了增強粘貼L形鋼板的加固效果，提高鋼板的利用值，要增加鋼板在轉角處的剛度，并盡可能使轉角處的變形最小.

［1］中華人民共和國建設部.GB 50010—2002，混凝土結構設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2002.

［2］高軒能，周期源，陳明華.粘鋼加固RC梁承載性能的理論和試驗研究［J］.土木工程學報，2006，39(8)：38 －44.

［3］劉衛東，楊偉波，蘇海華，等.鋼筋混凝土梁受彎加固對比試驗研究［J］.建筑結構學報，2008，29(增刊)：138－141.

［4］謝麗麗，余術剛，劉立新，等.鉚粘鋼板加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗研究［J］.鄭州大學學報：工學版，2008，29(2)：31 －34.

［5］趙更歧，李可，張龍.高鐵用HRBF500鋼筋混凝土梁疲勞性能的數值分析［J］.鄭州大學學報：工學版，2010，31(6)：9－13.

［6］李凱文.續建工程新舊混凝土框架節點粘鋼和碳纖維加固方案比選［J］.工業建筑，2012，42(3)：147－163.

［7］中華人民共和國建設部.GB 50367—2006，混凝土結構加固設計規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.