一種改進的混凝土梁包鋼加固法
——包鋼箱梁法

冉龍彬，潘廷明

（1重慶市城鄉建設行政審批服務中心，重慶 400014；2重慶市建筑科學研究院，重慶 400042）

0 引言

某生產企業為適應市場需求的變化，需進行生產工藝的技術改造。根據技術改造的要求，需要在原房屋屋面上增設一臺重型設備。增加該設備后，混凝土結構構件的荷載作用效應可能超過其承載能力，故需對原結構構件進行承載能力復核和加固。

本文首先對原房屋結構構件承載能力進行復核；然后結合現場施工條件，對承載能力不足的梁進行加固方案的比選，并提出一種改進的混凝土梁加固方法 （即包鋼箱梁法）；最后，利用有限元軟件對提出加固方法進行分析。提出方法具有良好的可靠性和工程實用性，可為同類型結構加固提供借鑒和參考。

圖1 平面示意圖（單位：mm）

2 結構計算分析

1 工程概況

某企業水泥磨設備房屋為三層混凝土框架結構，建筑總高度建筑總高度38.5m，設計使用年限為50年。該房屋于2010年開工建設，主體結構于2012年完工。房屋呈矩形布置，長45m，寬28m。該房屋屋面增設設備區域位置見圖1，增加荷載為2000kN。

（1）結構計算參數

該框架結構抗震等級為三級，抗震設防類別為丙類，場地類別為Ⅱ類。工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第二組。地面粗糙度為B類。結構加固后的后續使用年限為20年。

結構自重由程序自動計算。活荷載按照委托方提供的設備荷載：一層活荷載按板面均布10kN/m2，二層活荷載按板面均布15kN/m2，三層活荷載除增加荷載區域外按板面均布10kN/m2取值，三層板面增加荷載區域活荷載按實際增加荷載2000kN取值。

由設計圖紙可知，混凝土構件主筋為HRB335鋼筋（B），鋼筋強度設計值為fy=300N/mm2；箍筋為HPB235鋼筋（A），fy=210N/mm2。混凝土梁、板強度等級取C30，混凝土柱強度等級取C30。

（2）上部結構計算軟件與模型建立

結構計算軟件采用中國建筑科學研究院編制的PKPM軟件鑒定加固模塊進行，根據結構現狀建立模型并進行計算。計算模型見圖2。

圖2 計算模型

（3）復核結果及分析

上部結構的復核結果表明：房屋屋面增加設備荷載后，各層部分柱和部分梁承載能力不足。 其中，屋面層（7）—（8）/（B）—（C）軸線區域梁承載能力差異最為顯著，其頂部和底部縱向鋼筋及箍筋的實際配筋面積均小于計算配筋面積，梁抗彎和抗剪承載能力均不滿足安全使用要求。

以（8）/（B）—（C）軸位置梁為例進行說明，該梁截面為500mm×1800mm，原鋼筋配置為：底部縱向鋼筋為12B32，C端負彎矩鋼筋為12B28，B端負彎矩鋼筋為6B28，箍筋為A10@100/200（4）。增加設備后需要的配筋量：底部縱向鋼筋為121cm2，C端負彎矩鋼筋為95cm2，B端負彎矩鋼筋為36cm2。復核結果表明：增加設備后，屋面部分區域混凝土梁需要進行加固處理。

3 加固方案

該工程中框架柱采用外包角鋼法進行加固。而對于鋼筋混凝土梁而言，常用的加固技術可分為直接加固法和間接加固法兩類。直接加固法有截面增大法、外粘鋼板加固法、外粘型鋼加固法、粘貼碳纖維復合材加固法和高強鋼絞線網-聚合物砂漿面層加固法等；間接加固法有體外預應力加固法、增設支點加固法、增設支撐加固法等。

由于現場管廊的限制，無法采用間接加固法。直接加固法中的截面增大法工期較長，無法滿足使用方的要求；外粘鋼板加固法與粘貼碳纖維復合材加固法對被加固梁的承載力提高幅度不能超過40%，不能滿足該項目加固的需要；常規的外粘型鋼加固法需在梁頂部設置鋼板和進行樓板鉆孔作業，但施工現場屋面梁頂部放置有生產設備且無法移動，故常規的外粘型鋼加固法在該工程中難以實施。

根據對現場施工條件和梁承載能力的要求，本文提出一種改進的混凝土梁包鋼加固法對該工程混凝土梁的承載能力進行加強。提出方法是在原混凝土梁外設置倒π形鋼箱梁，利用該焊接組合鋼梁的上下翼緣和腹板共同承擔彎矩和剪力，倒π形結構的設計使得梁承擔負彎矩的能力大大加強，詳細做法見圖3和圖4。

圖3 改進型包鋼加固梁做法大樣一（單位：mm）

圖4 改進型包鋼加固梁做法大樣二（單位：mm）

由圖3和圖4可以看出，提出方法在梁底、梁兩側外包鋼板并焊接在一起形成整體，同時在原結構板底設置貼底角鋼并與梁兩側外包鋼板焊接作為混凝土外包鋼板的翼緣。該混凝土梁外包鋼板在整體上受力形式類似鋼箱梁，故本文將這種改進的混凝土梁包鋼加固法稱為包鋼箱梁加固法。為保證外包鋼箱梁與原結構梁的整體協調性及抗震性滿足結構安全性的要求，采取設置對拉螺桿并施加預拉力、設置構造錨栓和灌注結構膠的構造加強措施。

4 有限元計算

采用有限元軟件對加固前后的混凝土梁截面受力特性進行分析。本文以屋面層（8）/（B）—（C）軸位置梁為例進行分析。

屋面層 （8）/（B）—（C）軸線梁混凝土強度等級為C30，截面尺寸為500mm×1800mm，底部縱向鋼筋為12B32，C端負彎矩鋼筋為12B28，箍筋為A10@100/200（4）。查閱PKPM軟件分析的結果，C端負彎矩最大值為5368.97kN·m，最大剪力為2177.49kN，以此為控制內力進行分析，考察梁加固前后控制截面的受力特性。

為便于分析，本文建立了一個等效模型進行分析，如圖5所示。該等效模型為一個長度為2.466m的懸臂梁，截面尺寸與原混凝土梁相同，自由端作用一個力值為2177.49kN的豎向力，則其固定端的負彎矩值為5369.7kN·m，此時梁固定端的受力狀態與混凝土梁C端的受力狀態相一致。混凝土梁采用實體單元進行模擬，鋼筋采用框架單元進行模擬，外包鋼板采用殼單元進行模擬。有限元分析結果表明：

圖5 等效模型

（1）在控制內力作用下，未加固梁的受壓區混凝土最大應力為20.267MPa，超過了C30混凝土的抗壓強度設計值14.3MPa；外包鋼梁的受壓區混凝土最大應力為12.857MPa，小于C30混凝土抗壓強度設計值14.3MPa，表明外包鋼能夠有效減小混凝土梁受壓區的壓應力。

（2）在控制內力作用下，混凝土梁外包鋼板的最大正向拉應力為109.1MPa，出現在頂部，最大正向壓應力為94.3MPa，出現在底部；混凝土梁外包鋼板的Von Mises應力最大為99.0MPa，小于Q345鋼材的強度設計值。混凝土梁外包鋼板的應力分布如圖6所示。

圖6 混凝土梁外包鋼板的應力分布（單位：MPa）

（3）當外包鋼梁的受壓區混凝土最大應力為C30混凝土抗壓強度設計值14.3MPa時，梁截面可承擔的彎矩值為6314.72kN·m；而原配筋情況下的梁截面可承擔的彎矩值為3640.00kN·m，外包鋼梁后梁受彎承載能力提高了73.5%。

5 結語

生產企業房屋的技術改造往往需要增設生產設備，其荷載通常較大，原房屋的結構構件承載力常常不能滿足新增設備的需要，同時加固施工條件受到諸多限制。本文以實際工程為背景，提出了一種倒π形包鋼箱梁加固法，通過上下翼緣的設置，大大提高結構梁的承載力。提出方法具有良好的可靠性和工程實用性，可為類似情況結構加固提供借鑒與參考。