混凝土梁的粘鋼法加固設(shè)計(jì)探討

陶軼元

(江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江西 南昌 330200)

1 引言

建筑物在長(zhǎng)時(shí)間的環(huán)境作用下,其結(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)老化,結(jié)構(gòu)功能也會(huì)隨之減弱；此外,由于人們對(duì)建筑物使用功能的需求有所改變,許多結(jié)構(gòu)所承受的外部荷載也因此發(fā)生變化。上述建筑物若要繼續(xù)使用,則需要對(duì)既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固,以保證其具備一定的承載能力,從而滿(mǎn)足相應(yīng)的功能要求。

混凝土梁是一類(lèi)重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367-2013)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《加固規(guī)范》)中介紹了許多常用的構(gòu)件加固方法和技術(shù),對(duì)它們的計(jì)算方法和構(gòu)造要求都有詳盡的規(guī)定。工程人員應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)際情況應(yīng)采取合適的方法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。本文主要探討對(duì)于混凝土梁使用較多的粘貼鋼板加固法。

2 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

若加固前稱(chēng)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(jié)構(gòu)承受著一定的荷載,因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件中已經(jīng)產(chǎn)生了相應(yīng)的內(nèi)力和變形。加固后,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形是基于新的荷載條件產(chǎn)生的,并且是發(fā)生在第一次受力已產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的基礎(chǔ)上。此外,加固后的結(jié)構(gòu)實(shí)際上屬于舊構(gòu)件與新構(gòu)件形成的組合結(jié)構(gòu),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(jié)合面處的連接強(qiáng)度,因此這種新、舊部分組合成的整體結(jié)構(gòu),其承載力的計(jì)算不同于混凝土一次整體現(xiàn)澆形成的結(jié)構(gòu)。加固結(jié)構(gòu)的上述特點(diǎn),決定了混凝土結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)不同于新建混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3 粘貼鋼板加固法

粘貼鋼板加固法簡(jiǎn)稱(chēng)“粘鋼法”,是指采用結(jié)構(gòu)膠粘劑把薄鋼板粘貼在混凝土構(gòu)件的表面,使薄鋼板與原有混凝土構(gòu)件形成整體,從而協(xié)同工作的一種加固方法,是復(fù)合截面加固法的一種類(lèi)型。

粘貼于混凝土表面的鋼板與原構(gòu)件混凝土整體協(xié)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(jié)構(gòu)膠粘劑、粘貼工藝和操作水平等有很大關(guān)系。在保證粘貼質(zhì)量的前提下,粘鋼法相比于其他加固方法的優(yōu)點(diǎn)是施工方便快速,對(duì)原有結(jié)構(gòu)的自重和截面尺寸影響很小,堅(jiān)固耐用且經(jīng)濟(jì)合理。它主要適用于正常使用環(huán)境中的鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構(gòu)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(fā)揮材料強(qiáng)度,加固工作前應(yīng)注意完全卸除或大部分卸除構(gòu)件上的活荷載。

4 混凝土梁的粘鋼法加固設(shè)計(jì)

混凝土梁屬于典型的受彎構(gòu)件,構(gòu)件的主要內(nèi)力為彎矩M和剪力V,因此它的加固設(shè)計(jì)主要有兩大部分內(nèi)容：一是梁的正截面加固設(shè)計(jì),即通過(guò)在梁的頂面和底面粘貼鋼板來(lái)提高其抗彎承載力；二是梁的斜截面加固設(shè)計(jì),即通過(guò)在梁的側(cè)面和底面采用膠粘的鋼箍板來(lái)提高其抗剪承載力。正截面和斜截面的加固設(shè)計(jì)均包括計(jì)算和構(gòu)造兩個(gè)方面的內(nèi)容。此外,由于鋼板和膠粘劑材料的特殊性,還應(yīng)按照《加固規(guī)范》9.1.2條～9.1.4條的規(guī)定注意防銹蝕、防火以及特殊環(huán)境下的處理措施。

4.1 計(jì)算原則與方法

一般而言,加固設(shè)計(jì)前應(yīng)首先查看工程原始資料,尤其是原有藍(lán)圖、原荷載和計(jì)算資料,然后在原有資料的基礎(chǔ)上增加新的荷載進(jìn)行校核計(jì)算,檢驗(yàn)原有梁的承載力是否能承受現(xiàn)有荷載。計(jì)算結(jié)果若能滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范的要求,則不需加固；若無(wú)法滿(mǎn)足,則需依據(jù)現(xiàn)有內(nèi)力對(duì)梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

實(shí)際工程中也會(huì)遇到原始荷載資料欠缺的情況,此時(shí)很難對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算。若已知原結(jié)構(gòu)中梁的尺寸和配筋,則可以采取偏安全保守的方法,即：假設(shè)梁在原有荷載下達(dá)到最大承載力并根據(jù)已知尺寸、配筋計(jì)算出構(gòu)件最大承載力設(shè)計(jì)值A(chǔ),然后求出新增荷載對(duì)梁產(chǎn)生的設(shè)計(jì)內(nèi)力增加值B,隨后取C=(A+B)為加固后需要達(dá)到的設(shè)計(jì)值,最后根據(jù)《加固規(guī)范》9.2.3條、9.3.2條和9.3.3條中的公式進(jìn)行梁的加固計(jì)算。

4.2 梁的計(jì)算模型與內(nèi)力選取

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

4.3 計(jì)算注意事項(xiàng)

一、采用粘鋼法進(jìn)行梁的正截面加固計(jì)算時(shí)除應(yīng)符合參考文獻(xiàn)2中關(guān)于正截面承載力計(jì)算的基本假定外,尚應(yīng)符合《加固規(guī)范》9.2.1條的規(guī)定。

二、假設(shè)原有荷載條件下梁的設(shè)計(jì)彎矩為M1時(shí),混凝土受壓區(qū)高度為X1；現(xiàn)有荷載條件下梁的設(shè)計(jì)彎矩為M2時(shí),混凝土受壓區(qū)高度為X2；梁的設(shè)計(jì)彎矩為M3(取M3=M2-M1)時(shí),混凝土受壓區(qū)高度為X3。

需要注意的是,對(duì)于梁的受彎加固計(jì)算,不能簡(jiǎn)單地根據(jù)梁的現(xiàn)有設(shè)計(jì)彎矩與原有設(shè)計(jì)彎矩之差(即M2-M1)來(lái)計(jì)算所需要增加的鋼板面積。因?yàn)楦鶕?jù)參考文獻(xiàn)2中的公式6.2.10-1和6.2.10-2,彎矩M與混凝土受壓區(qū)高度X是非線(xiàn)性關(guān)系,不滿(mǎn)足疊加原理,也就說(shuō)梁在M1作用下的混凝土受壓區(qū)高度X1與梁在M3作用下的混凝土受壓區(qū)高度X3之和,并不等于梁在M2作用下的混凝土受壓區(qū)高度X2,即X1+X3≠X2。從實(shí)際變形的角度上看,鋼筋混凝土梁在受力后很快便處于開(kāi)裂工作狀態(tài),且開(kāi)裂后材料的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系不是線(xiàn)性的；梁首先在M1作用下產(chǎn)生了初始變形,若梁在此初始變形基礎(chǔ)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(chǎn)生的最終變形并不會(huì)等于梁在M2作用下產(chǎn)生的最終變形。因此梁的受彎加固設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際荷載條件下的設(shè)計(jì)彎矩與產(chǎn)生的變形進(jìn)行計(jì)算,即采用《加固規(guī)范》9.2.3條中的公式。

三、為了保證構(gòu)件具有一定的延性,避免由于加固量過(guò)大而產(chǎn)生超筋性質(zhì)的脆性破壞,《加固規(guī)范》9.2.2條對(duì)梁加固后的相對(duì)界限受壓區(qū)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(guī)范》9.2.11條規(guī)定梁在加固后的正截面抗彎承載力提高幅度應(yīng)≤40%,并需驗(yàn)算梁的抗剪承載力,以保證“強(qiáng)剪弱彎”。

四、進(jìn)行梁的斜截面抗剪加固計(jì)算時(shí),除應(yīng)滿(mǎn)足《加固規(guī)范》9.3.3條的計(jì)算要求外,還應(yīng)注意對(duì)梁加固后的剪力設(shè)計(jì)值進(jìn)行校核,即滿(mǎn)足《加固規(guī)范》9.3.2條的截面限制條件,以防止加固量過(guò)大而發(fā)生斜壓破壞,也能同時(shí)限制使用階段可能發(fā)生的斜裂縫寬度。

4.4 構(gòu)造要求

上述理論計(jì)算的結(jié)果能否在具體應(yīng)用中起到效果還需要通過(guò)一定的構(gòu)造要求來(lái)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(gòu)件混凝土整體協(xié)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(guī)范》4.2節(jié)、4.4節(jié)、9.1.2條、9.1.3條、9.2.12條、9.3.1條和9.6節(jié)對(duì)相關(guān)材料(原構(gòu)件混凝土、鋼板和膠粘劑)的性能要求,鋼板的層數(shù)、寬度、厚度,鋼板形式,粘貼部位、粘貼范圍、粘貼方式,不同節(jié)點(diǎn)的錨固方式等方面都作出了具體規(guī)定,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析和規(guī)范條文解讀,本文對(duì)粘鋼法加固設(shè)計(jì)的特點(diǎn)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(yùn)用粘鋼法對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。