南京市某教育建筑框架梁的加固方法對比分析

余長青，賈慧娟，施浩迪 （金陵科技學院 建筑工程學院，江蘇 南京 211169）

1 引言

隨著國家對教育事業的大力推進，教育環境問題逐漸成為社會焦點。對學生進行素質教育的同時，應盡可能滿足其對大空間、大采光、安全性能好的教育建筑需求。因此，如何高效地對教育建筑進行加固改造已成為重要課題。其中，對教育建筑框架梁的加固改造是目前較為主流的方式。國內不少學者對此展開研究，如孫勇等[1]研究得出姜堰實驗小學對鋼筋混凝土框架梁選用了粘貼碳纖維布的加固方法，抗震性能得到大幅提升；林于東等[2]使用U型鋼板箍對普通鋼筋混凝土梁試件進行加固，有效提高了梁的斜截面受剪承載力；魏常寶等[3]對某多層框架結構辦公樓的梁采用外包混凝土增大截面法和外包鋼筋法進行加固，對建筑結構的動力特性改善明顯；趙心濤[4]對平度市某中學的主梁進行鑒定，并提出碳纖維布加固和粘貼鋼板加固的處理建議。本文基于教育建筑改造實例，對現有的加固方式進行分析比較，得出相對更經濟優效的加固方式。

2 框架結構中梁的常用加固方法及施工工藝

目前常用的加固方法有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法。

增大截面加固法是一種通過增大原構件的截面尺寸并增配鋼筋以提高構件強度和剛度的傳統加固方法。該方法施工簡單、適應性強，對增大梁的強度、剛度以及穩定性效果顯著，但是工程量大、周期長、占用空間面積大。其施工工藝是去掉加固對象的荷載后，選用鑿毛法、噴砂法、高壓水射、切割打磨法等方式確認合適的新、舊混凝土結合面[5]，提高結構的整體性，然后涂抹界面劑，提高粘結性，最后植筋、綁扎、安裝混凝土、養護、脫模。

粘貼鋼板加固法是通過結構膠在梁結構外側薄弱部位粘貼鋼板，使兩者協同作用提高剛度的一種加固改造方式。該加固方法無需破壞原有的梁結構，施工起來相對簡單快速，所需周期短，但對結構膠的依賴性較大，需要結構膠強度高、耐老化性能好、有較高的彈性模量和較強的粘結力。該方法在工程中的使用比較廣泛，其加固后的結構耐久性能較好，造價相對較低。施工前先放線定位，然后對混凝土表面打磨和修補，對鋼材打磨和除銹，再涂抹粘結劑在混凝土表面上，最后將鋼板粘貼到混凝土上，等待固化完成，選用超聲儀檢測或用錘子錘擊鋼板，如無空洞聲，則粘貼完好[6]。

粘貼纖維復合材料加固法是利用結構膠把碳纖維布粘貼在梁受損部位，使之形成整體，共同受力，改善構件的受力狀態。纖維復合材料具備抗拉強度高、重量輕、耐久性好、施工方便快捷、質量易于保證等優點。加固后梁的外觀和高度無明顯變化，但纖維復合材料價格普遍較高，整體造價較大。在粘貼碳纖維布時，對加固構件卸荷，打磨混凝土，去除雜質，涂抹粘結劑，然后根據圖紙剪裁碳纖維布的具體尺寸，將其粘貼在混凝土表面，最后在碳纖維布上噴防火涂料，提高耐火性，防止破壞。

除此以外，還有預應力加固法和增設支點加固法等其他的加固方式。預應力加固法采用體外預應力拉桿，此方法雖然會對梁結構外觀產生較大影響，但計算相對簡便、施工快捷、造價低廉。施工時把原有柱子頂部鋼筋鑿出，用鋼板焊在鋼筋上，每根柱上圍三面鋼板，并在鋼板交接處進行焊接，然后用鋼件焊于柱頂鋼板相應的位置上。增設支點加固法包括彈性支點法和剛性支點法，該方法依靠增加支點，減少結構的跨度與內力，提高承載力。這種方法雖然操作簡易，但是影響空間的使用，并且施工上必須保證支點的緊密結合與結構力的有效傳遞。

3 某教育建筑框架梁的加固分析

3.1 工程概況

本工程為南京市某小學主樓結構加固，加固結構的立面圖如圖1 所示，始建于上世紀70 年代末，建筑功能為教學及辦公。工程總建筑面積為1150m2，五層單跨框架結構，平面呈長方形布置。工程外觀質量良好，主體結構構件沒有明顯扭曲、傾斜或歪扭，支撐大梁的墻體無豎向裂縫，目前仍然處于正常使用的狀態。

圖1 南京市某小學主樓結構立面圖

施工角度方面，增大截面法和粘貼鋼板法較為傳統，技術成熟，而粘貼纖維復合材料加固法興起時間晚，施工技術要求高；工期方面，增大截面法的施工時間長，粘貼鋼板法和粘貼纖維復合材料加固法則相對較短。綜合考慮以上兩方面因素，該工程選用增大截面法和粘貼鋼板法進行對比研究。

3.2 既有教育建筑的模擬計算

本文采用有限元軟件對該工程進行模擬計算。首先依據圖紙建立五層框架結構的三維模型，其次對每層樓隨機選擇五根框架梁分別用增大截面法和粘貼鋼板法進行加固，最后對比分析兩種方式的加固效果。圖2 為三維框架模型圖。

圖2 三維框架模型圖

考慮到該工程每層樓的布局相似，因此采用鋼卷尺和激光測距儀，在該工程頂層隨機抽取部分梁構件，并測量截面尺寸，具體測量結果見表1。圖3為頂層平面圖。

表1 梁構件截面尺寸測量結果匯總表

圖3 頂層平面圖

用增大截面的方式對每層樓對應位置的五根梁進行加固，各截面向h 方向底部增加200mm 高度并適配HPB300級鋼筋3Ф20，圖4 為梁5-1 增大截面法施工圖。

圖4 梁5-1增大截面法施工圖

用粘貼鋼板的方式對每層對應位置的五根梁進行加固，各截面的梁底部粘貼6mm×200mm 梁凈跨的鋼板，側面粘貼4mm×100mm@300mm 的U 型箍板，鋼材型號為Q235B。圖5 為梁5-1粘貼鋼板法施工圖。

圖5 梁5-1粘貼鋼板法施工圖

3.3 模擬結果分析

本文通過有限元軟件的計算結果，主要從受力和剛度兩個角度對比，分析兩種加固方式在《工程結構通用規范》（GB 55001-2021）荷載條件下的具體表現情況。

3.3.1 受力分析

梁的受力分析見表2，通過對比該梁的彎矩和剪力來分析兩種加固方式的加固效果。加固前該梁的最大彎矩為608.3kN·m，增大截面加固后，該梁的最大彎矩提高為677.3kN·m；粘貼鋼板加固后最大彎矩為608.8kN·m，與加固前差距不大。

表2 梁的受力分析表

加固前該梁的正剪力為53.0kN，負剪力為-46.9kN；增大截面加固后，該梁的正剪力提高到53.7kN，負剪力為-51.4kN；粘貼鋼板加固后正剪力為53.1kN，負剪力為-46.8kN，與加固前變化不大。

3.3.2 變形分析

鑒于單根梁的變形較小，對比不明顯，本文分析加固前后整個樓層的變形情況。如表3 所示，以頂層數據為例，加固前頂層X向剛度為5.939×103kN/m，Y向剛度為5.693×103kN/m，豎向荷載作用下的樓層最大位移為-2.27mm；增大截面加固后頂層X 向剛度為6.587×103kN/m，Y 向剛度為5.695×103kN/m，豎向荷載作用下的樓層最大位移為-1.86mm；粘貼鋼板加固后X 向剛度為5.937×103kN/m，Y 向剛度為5.691×103kN/m，豎向荷載作用下的樓層最大位移為-1.92mm。

表3 樓層的變形分析表

從X 向剛度來看，增大截面加固法提高較多，粘貼鋼板加固法提高較低；從Y 向剛度來看，兩種加固方式均提高不多；從樓層最大位移來看，兩種加固方式均有較大的優化，但增大截面加固法效果更佳。

4 經濟效益分析

從材料角度分析，對每層樓的部分梁構件采用增大截面加固法需要增加混凝土5.68t，市場均價158 元/t，小計897.44元，使用HPB300級鋼筋0.44m3，市場均價約4200 元/t，小計14506.8 元，合計15404.24 元。而粘貼鋼板加固法需要Q235B 鋼板6.35t，市場均價為3900 元/t，小計24765 元，結構膠500元，合計25265 元。表4 為兩種加固方式的材料成本統計表。

表4 兩種加固方式的材料成本統計表（單位：元）

從施工角度分析，增大截面加固法需要等待新、舊混凝土形成整體，后期需要養護，施工工期長，人工成本高；粘貼鋼板加固法施工技術簡單、工期短、人工成本低。增大截面加固法雖然材料成本低于粘貼鋼板加固法，但工期遠長于粘貼鋼板加固法，導致施工成本大大增加。總體而言，兩種加固方式的總成本相差不大，但粘貼鋼板加固法極大地縮短了工期，滿足教育建筑工期緊張的要求，適用性廣。

5 結束語

本文針對既有的教育建筑實際工程進行了兩種加固方式的對比分析，得出以下結論。

①增大截面加固法和粘貼鋼板加固法均在一定程度上對結構起到了有效的加固效果。相較于加固前，增大截面加固法和粘貼鋼板法都提高了梁的承載力，減小了樓層的豎向位移變形。

②從承載力的角度分析，增大截面加固法對梁的彎矩與剪力的變化大于粘貼鋼板加固法；從變形的角度分析，粘貼鋼板加固法與增大截面加固法均起到了良好的加固效果，但增大截面法的加固效果更顯著；從經濟效益角度分析，粘貼鋼板法總體成本與增大截面法相差不大，但施工工期短。

③考慮到教育建筑應盡量不壓縮教學空間和施工時間有限的特殊性，相較于增大截面法，粘貼鋼板法既能起到一定程度的加固效果，又能在短時間內完成施工。