混凝土梁的粘鋼法加固設計探討

陶軼元

(江西建設職業技術學院,江西 南昌 330200)

1 引言

建筑物在長時間的環境作用下,其結構構件會出現老化,結構功能也會隨之減弱；此外,由于人們對建筑物使用功能的需求有所改變,許多結構所承受的外部荷載也因此發生變化。上述建筑物若要繼續使用,則需要對既有結構構件進行加固,以保證其具備一定的承載能力,從而滿足相應的功能要求。

混凝土梁是一類重要的結構構件,《混凝土結構加固設計規范》(GB50367-2013)(以下簡稱《加固規范》)中介紹了許多常用的構件加固方法和技術,對它們的計算方法和構造要求都有詳盡的規定。工程人員應根據不同的實際情況應采取合適的方法進行加固設計。本文主要探討對于混凝土梁使用較多的粘貼鋼板加固法。

2 混凝土結構加固設計的特點

若加固前稱之為第一次受力,則加固后屬于二次受力。在加固之前,既有結構承受著一定的荷載,因此結構構件中已經產生了相應的內力和變形。加固后,結構的內力和變形是基于新的荷載條件產生的,并且是發生在第一次受力已產生的內力和變形的基礎上。此外,加固后的結構實際上屬于舊構件與新構件形成的組合結構,新、舊部分能否更好地共同工作,取決于新、舊部分的材料特性和新、舊部分結合面處的連接強度,因此這種新、舊部分組合成的整體結構,其承載力的計算不同于混凝土一次整體現澆形成的結構。加固結構的上述特點,決定了混凝土結構的加固設計不同于新建混凝土結構的設計。

3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法簡稱“粘鋼法”,是指采用結構膠粘劑把薄鋼板粘貼在混凝土構件的表面,使薄鋼板與原有混凝土構件形成整體,從而協同工作的一種加固方法,是復合截面加固法的一種類型。

粘貼于混凝土表面的鋼板與原構件混凝土整體協同工作的能力,取決于鋼板和混凝土之間的貼合效果,即與鋼板的粘貼部位、粘貼范圍、粘貼方式、粘貼所用的結構膠粘劑、粘貼工藝和操作水平等有很大關系。在保證粘貼質量的前提下,粘鋼法相比于其他加固方法的優點是施工方便快速,對原有結構的自重和截面尺寸影響很小,堅固耐用且經濟合理。它主要適用于正常使用環境中的鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構件的加固。為了減少二次受力的影響,使得加固后的鋼板能夠充分發揮材料強度,加固工作前應注意完全卸除或大部分卸除構件上的活荷載。

4 混凝土梁的粘鋼法加固設計

混凝土梁屬于典型的受彎構件,構件的主要內力為彎矩M和剪力V,因此它的加固設計主要有兩大部分內容：一是梁的正截面加固設計,即通過在梁的頂面和底面粘貼鋼板來提高其抗彎承載力；二是梁的斜截面加固設計,即通過在梁的側面和底面采用膠粘的鋼箍板來提高其抗剪承載力。正截面和斜截面的加固設計均包括計算和構造兩個方面的內容。此外,由于鋼板和膠粘劑材料的特殊性,還應按照《加固規范》9.1.2條～9.1.4條的規定注意防銹蝕、防火以及特殊環境下的處理措施。

4.1 計算原則與方法

一般而言,加固設計前應首先查看工程原始資料,尤其是原有藍圖、原荷載和計算資料,然后在原有資料的基礎上增加新的荷載進行校核計算,檢驗原有梁的承載力是否能承受現有荷載。計算結果若能滿足現有規范的要求,則不需加固；若無法滿足,則需依據現有內力對梁進行加固設計。

實際工程中也會遇到原始荷載資料欠缺的情況,此時很難對原結構進行建模計算。若已知原結構中梁的尺寸和配筋,則可以采取偏安全保守的方法,即：假設梁在原有荷載下達到最大承載力并根據已知尺寸、配筋計算出構件最大承載力設計值A,然后求出新增荷載對梁產生的設計內力增加值B,隨后取C=(A+B)為加固后需要達到的設計值,最后根據《加固規范》9.2.3條、9.3.2條和9.3.3條中的公式進行梁的加固計算。

4.2 梁的計算模型與內力選取

若已知工程的原有藍圖和計算資料時,可直接采用原設計的計算模型進行分析計算；若上述原始資料欠缺,為了安全起見,可分別考慮梁端剛接和梁端鉸接時的情況,以求得梁端最大負彎矩、梁跨內的最大正彎矩、梁的最大剪力,從而分別進行各種最不利內力下的加固計算。

4.3 計算注意事項

一、采用粘鋼法進行梁的正截面加固計算時除應符合參考文獻2中關于正截面承載力計算的基本假定外,尚應符合《加固規范》9.2.1條的規定。

二、假設原有荷載條件下梁的設計彎矩為M1時,混凝土受壓區高度為X1；現有荷載條件下梁的設計彎矩為M2時,混凝土受壓區高度為X2；梁的設計彎矩為M3(取M3=M2-M1)時,混凝土受壓區高度為X3。

需要注意的是,對于梁的受彎加固計算,不能簡單地根據梁的現有設計彎矩與原有設計彎矩之差(即M2-M1)來計算所需要增加的鋼板面積。因為根據參考文獻2中的公式6.2.10-1和6.2.10-2,彎矩M與混凝土受壓區高度X是非線性關系,不滿足疊加原理,也就說梁在M1作用下的混凝土受壓區高度X1與梁在M3作用下的混凝土受壓區高度X3之和,并不等于梁在M2作用下的混凝土受壓區高度X2,即X1+X3≠X2。從實際變形的角度上看,鋼筋混凝土梁在受力后很快便處于開裂工作狀態,且開裂后材料的應力—應變關系不是線性的；梁首先在M1作用下產生了初始變形,若梁在此初始變形基礎上由于外部荷載又新增了彎矩M3,那么梁在M1+M3的疊加作用下產生的最終變形并不會等于梁在M2作用下產生的最終變形。因此梁的受彎加固設計時應根據實際荷載條件下的設計彎矩與產生的變形進行計算,即采用《加固規范》9.2.3條中的公式。

三、為了保證構件具有一定的延性,避免由于加固量過大而產生超筋性質的脆性破壞,《加固規范》9.2.2條對梁加固后的相對界限受壓區高度ξb,sp作出了限制。此外為了控制加固后梁的變形和裂縫寬度,《加固規范》9.2.11條規定梁在加固后的正截面抗彎承載力提高幅度應≤40%,并需驗算梁的抗剪承載力,以保證“強剪弱彎”。

四、進行梁的斜截面抗剪加固計算時,除應滿足《加固規范》9.3.3條的計算要求外,還應注意對梁加固后的剪力設計值進行校核,即滿足《加固規范》9.3.2條的截面限制條件,以防止加固量過大而發生斜壓破壞,也能同時限制使用階段可能發生的斜裂縫寬度。

4.4 構造要求

上述理論計算的結果能否在具體應用中起到效果還需要通過一定的構造要求來保證。粘鋼法的核心在于需要使粘貼于混凝土表面的鋼板與原構件混凝土整體協同工作,這就要確保決于鋼板和混凝土之間的貼合效果。因此,《加固規范》4.2節、4.4節、9.1.2條、9.1.3條、9.2.12條、9.3.1條和9.6節對相關材料(原構件混凝土、鋼板和膠粘劑)的性能要求,鋼板的層數、寬度、厚度,鋼板形式,粘貼部位、粘貼范圍、粘貼方式,不同節點的錨固方式等方面都作出了具體規定,設計時應嚴格執行。

5 結語

通過理論分析和規范條文解讀,本文對粘鋼法加固設計的特點和方法作出了較為深入的闡釋,希望能夠有助于廣大工程人員更好的運用粘鋼法對混凝土梁進行加固設計。