對拉螺栓錨固槽鋼加固RC梁的加固方法

孫 方，敬登虎

（東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 210096）

混凝土結構是我國建筑的主要結構形式，隨著使用時間的逐漸增加，混凝土結構加固已成為我國建筑業(yè)中一個新的發(fā)展熱點。目前常用的混凝土加固方法主要有以下幾種[1]：（1）增大截面加固法；（2）置換混凝土加固法；（3）外包型鋼加固法；（4）粘貼鋼板加固法；（5）粘貼纖維增強復合材料加固法；（6）繞絲加固法；（7）鋼絞線（鋼絲繩）網(wǎng)片-聚合物砂漿加固法；（8）增設支點加固法；（9）預應力加固法；（10）結構體系加固法。其中，外包型鋼加固法是一種既可靠、又能大幅度提高原結構承載力的加固技術，按其與原構件連接方式分為有粘結外包型鋼加固（濕式外包型鋼加固法）和無粘結外包型鋼加固法（干式外包型鋼加固法）。

使用結構膠黏劑的加固法可能會存在一些問題，不使用結構膠黏劑的干式加固法與其相比有一定的優(yōu)勢。濕式外包鋼采用結構膠黏劑時，結構膠黏劑存在耐久性和耐火性的問題[1]。并且，結構膠黏劑粘貼的加固質量很大程度上取決于膠黏劑的材料和施工工藝水平高低。對于粘貼鋼板而言，施工后一旦發(fā)現(xiàn)空鼓,進行補救比較困難[2]。文獻[3]認為通過化學錨栓固定鋼板加固梁的施工工藝較簡單，其加固質量比粘貼的要好。此外，干式加固法可能表現(xiàn)出較好的延性，粘鋼容易使加固后的構件在粘結界面上發(fā)生脆性的剝離破壞[4-5]。文獻[6]和[7]中使用螺栓在梁側面錨固鋼板對RC梁進行抗彎加固，試驗結果表明梁在極限狀態(tài)下并未發(fā)生剝離破壞。文獻[3]通過試驗對比也認為采用化學錨栓固定鋼板加固梁的延性優(yōu)于粘貼鋼板加固梁。

一般的外包鋼加固法（無論干式還是濕式）在加固時都得對混凝土構件表面進行處理?；炷翗嫾诒砻娲蚰r，容易引起嚴重的灰塵污染，對施工人員的身體造成的一定的傷害。

結合上述各種加固方法中存在的優(yōu)點和缺點，提出一種新型干式外包型鋼加固法，即通過對拉螺栓（完全機械錨固的方式）將槽鋼與原混凝土梁連接成一個整體進行工作。該項加固技術具有環(huán)保(無需進行表面處理)、避免有機結構膠老化等優(yōu)勢，同時可以在不顯著增大梁高的情況下，較大程度地提高加固梁的承載力和剛度。由于僅采用螺栓完成連接，施工相對較簡便。此外，由于型鋼自身有較大的剛度和承載力，這種加固方法不僅可用于加固損傷較小的梁，同時也可用于加固損傷較大甚至已經發(fā)生破壞的梁。

1 試件概述

1.1 試件制作

試件B1是1根對比RC梁，T型截面，混凝土選用C30商品混凝土，保護層厚度取20 mm，構件詳圖如圖1所示。

圖1 試件B1的構件詳圖

試件B2是在B1加載結束后采用文中所述的方法進行加固，具體的加固詳圖見圖2所示。其中，槽鋼選用Q235鋼材，[36a截面；鋼板選用Q235鋼材，厚度均為10 mm；螺栓為10.9級螺栓，直徑為14、20、24 mm；焊條選用E43型焊條，角焊縫的焊腳尺寸hf=5 mm。

圖2 試件B2的構件詳圖

圖2 中的加固方法是在原梁兩側各加一個槽鋼梁，在支座附近和梁跨內適當位置（如加載點對應位置）分別用螺栓將原梁與槽鋼連接。梁跨內混凝土梁底面與螺栓之間墊一塊鋼板，并且在此處鋼板與螺栓、鋼板與槽鋼腹板之間用角焊縫連接。支座附近通過在原梁和槽鋼上開孔用螺栓連接，槽鋼與支座不直接接觸。

在對試件B1的加載結束后，梁發(fā)生了彎曲破壞并產生嚴重的殘余變形，卸載后梁跨中的殘余撓度在50 mm以上。為了使加固后的梁能滿足正常使用的要求并確保施工的方便，在加固前，將梁翻身并利用反力架將存在嚴重的殘余變形、彎曲明顯的梁在跨中一點頂起，使梁基本平直，如圖3所示。在頂平梁的過程中，原梁產生新的損傷，梁底一處（約在梁長的三等分點位置）的混凝土保護層被壓碎，縱筋屈曲，如圖4所示。加固方案中梁底螺栓位置已避開縱筋屈曲位置，如圖5所示。加固完成后的試件B2如圖6所示。

圖3 梁的頂平

圖4 頂平產生的新的損傷

圖5 試件B2一處螺栓與梁底縱筋屈曲處的相對位置

圖6 加固完成后的試件B2

1.2 材性試驗

試驗中所用混凝土立方體抗壓強度實測的平均值為33.3 MPa，縱筋屈服強度實測的平均值為471 MPa。

1.3 加載方案

試件采用單調加載模式，具體的加載方式如圖7所示。

圖7 加載方式

2 加固的定性分析

2.1 加固后的梁的整體受力機理

如果對試件B2進行加載，加在混凝土梁上的部分力會通過梁底的螺栓和鋼板傳到槽鋼上，再由槽鋼傳到支座附近螺栓，最后通過支座附近的混凝土傳到支座，從而提高原梁的承載力和剛度，混凝土梁和槽鋼的受力狀態(tài)如圖8所示（只考慮豎向相互作用）。

通過受力機理分析可知，為了確保加固效果，需要做的以下幾點： （1）鋼梁要有一定的剛度和承載力；（2）槽鋼與原梁之間的連接要有一定的可靠性。關于（1），由于采用了截面慣性矩和抵抗矩都較大的槽鋼截面，因此已經滿足了。接下來，具體分析連接的可靠性。

圖8 試件B2中混凝土梁與槽鋼的受力狀態(tài)

2.2 梁底的連接

考慮到在混凝土上開洞會進一步增加混凝土損傷和施工難度，為盡量避免在混凝土上開洞，文中設計了圖9中所示的連接方式，結合了螺栓連接和焊接兩種傳統(tǒng)的鋼結構連接方法，試件B2中的最終連接效果如圖10所示。

圖9 梁底連接方案

圖10 試件B2梁底的連接效果

圖9 中連接的施工工藝如下：在布置好全梁的螺栓后（梁底螺栓與混凝土梁底之間預留空隙），使全梁的螺母處于較松的狀態(tài)，從梁長度方向將鋼板塞進預留的空隙中（鋼板厚度宜略小于實際的空隙大小使鋼板剛好可以塞進空隙），然后擰緊所有螺母，這樣可以使梁底螺栓緊貼鋼板、鋼板緊貼混凝土梁底，最后利用角焊縫將螺栓與鋼板、鋼板與槽鋼腹板連接。

當可以選用足夠厚的鋼板和足夠粗且強度足夠高的螺栓桿時，圖9中所示方案可不用角焊縫，僅僅利用螺栓來傳遞豎向的相互作用，此時鋼板僅起到墊板的作用。但就文中研究中的情況而言，槽鋼截面高度不宜比混凝土梁腹板高度大太多（考慮到實際工程中建筑凈空的要求），故試件B2中槽鋼選[36a的截面。槽鋼截面高度為360 mm且其翼緣厚16 mm，混凝土梁腹板高度為300 mm，槽鋼上翼緣頂面貼在板底，則鋼板和螺栓只有44 mm的安裝空間，如圖11所示，故不宜選用過厚的鋼板或過粗的螺栓。

圖9中的方案同時利用螺栓和角焊縫傳力，當螺栓直徑較小時焊縫可以對連接起到“補強”的作用。并且，由于傳遞的力部分通過梁側有一定長度的角焊縫傳遞，而并非僅通過螺栓兩端的兩個“點”，鋼板與混凝土底面之間的接觸應力趨于均勻，這對解決梁底混凝土局部受壓的問題是有利的。

2.3 支座附近的連接

考慮到實際工程中很難將后加的槽鋼伸入支座并形成有效的支承，文中采用螺栓錨固的方法將槽鋼懸掛在梁支座附近（見圖12），在受力過程中，槽鋼始終不與支座直接接觸。

圖 11 試件B2梁底螺栓、鋼板、砼、槽鋼的相對位置

圖12 試件B2槽鋼與支座的相對位置

由于在翼緣處采用螺栓連接，該螺栓主要承受拉力，而螺栓的抗拉強度較高，故此處螺栓不易破壞；當拉力傳到混凝土梁頂面使混凝土局部受壓時，采用鋼墊板分散應力，可以避免混凝土局部受壓破壞，故支座附近采用的連接有一定的可靠性。

此外，加固已經發(fā)生彎曲破壞的簡支梁時，雖然梁大部分區(qū)域混凝土開裂嚴重，損傷較大，但支座附近局部混凝土損傷較小，如圖13所示，仍可利用其進行傳力。

圖13 受彎破壞的RC梁的損傷分布

3 試驗的結果與分析

試件B1、B2的荷載位移曲線如圖14所示。圖中荷載表示2個加載點荷載之和，試件B2的撓度表示混凝土部分的跨中位移。

圖14 荷載位移關系曲線

試件B1是1根普通RC梁，由于梁底縱筋較少，彎剪段配箍率較大，最終發(fā)生彎曲破壞并表現(xiàn)出較好的延性，加載結束時的狀態(tài)可參考圖15。圖14中試件B1的荷載位移曲線可以近似看做由3條直線組成。當圖中荷載達到220 kN以后，試件B1的受拉縱筋逐步屈服，曲線緩緩上升，曲線的切線斜率迅速下降并趨近于零。在加載的后期，梁的變形較大使加載點處的墊塊在靠近跨中一側與梁頂面脫開，如圖16所示，實際的加載點向支座移動，故試驗所測得的有較大變形時承載力可能偏大，故取“水平線”的起點（7.28，222）作為試件B1承載力和剛度的參考點。該點與坐標原點連線斜率的倒數(shù)即相應的割線柔度（其物理意義為單位荷載產生的跨中撓度的大小）為0.032 8 mm/kN，這可以作為試件B1剛度的參考指標。當荷載達到222 kN后，試件B1的荷載增加緩慢并存在測量值偏大的可能性，故近似取222 kN作為試件B1的承載力。

圖15 試件B1的破壞形態(tài)

圖16 試件B1有較大變形時墊塊一側與梁頂面脫開的現(xiàn)象

在試件B2的試驗中，當荷載達到圖14中的峰值時，支座處的混凝土被壓碎、碎片向周圍飛出，同時伴有較大聲響，然后荷載迅速下降。在破壞發(fā)生前無明顯預兆，屬于脆性破壞。試驗最終因支座處混凝土發(fā)生局部受壓破壞而終止，槽鋼、槽鋼與RC梁的連接沒有發(fā)生破壞（見圖17）。圖14中試件B2的荷載位移曲線在達到峰值點之前基本是線性的且在達到220 kN之前，試件B1與試件B2的曲線基本重合，圖中試件B2曲線上的（8，221）點對應的割線柔度為0.036 2 mm/kN，比試件B1對應的柔度大10%，可以認為試件B1與試件B2的剛度基本相等。當荷載達到峰值點678 kN時，試件B2在支座處發(fā)生破壞，該點為試件B2受彎承載力的下限值，比試件B1的承載力高出205%。

圖17 試件B2的破壞形態(tài)

試件B2在加固之前，RC梁部分先發(fā)生受彎破壞并產生較大的殘余變形，后被頂平并導致梁底縱筋屈曲，可以認為在加固前RC梁已經基本喪失了承載力和剛度，即試件B2表現(xiàn)出的承載力和剛度全部為加固的成果。加固完成后，如圖16所示，加固使試件恢復了一定的剛度和承載力，且試件B2的剛度和承載力均不小于無損傷的對比梁B1。

本次試驗中加固后的試件最終在支座處發(fā)生脆性破壞，主要有以下幾點原因：

（1）支座處有效的支承面積不夠大。為了保證簡支梁在支座處是理想的鉸支，試驗中采用了圖18所示的支座，圖中圓鋼和混凝土之間的鋼墊板的厚度僅為18 mm，支座反力通過墊板傳至混凝土表面上的分布面積有限，應力比較集中，容易造成支座處的破壞。這與實際工程中的支承情況是不同的。

圖18 支座

（2）梁的跨度比較小。試驗中RC梁的計算跨度與梁高的比，比實際工程中大部分RC梁小。如果改用跨度較大的梁，在同樣的荷載（或支座反力）下，跨中的彎矩就更大，則梁的抗彎承載力就可能小于支座處的局部受壓承載力，采用對拉螺栓錨固槽鋼加固的梁就可能發(fā)生受彎破壞。

4 結論

基于定性的理論分析和相應的試驗研究，可以初步得到以下結論：

（1）對拉螺栓錨固槽鋼加固RC梁的加固方法具有很好的可行性，能夠較大地提高被加固梁的承載力和剛度，甚至可以使已經發(fā)生破壞的梁完全恢復承載力和剛度。

（2）文中所采用的連接方法，特別是在梁底同時利用螺栓和角焊縫進行傳力的方法，有一定的可靠性。

（3）對拉螺栓錨固槽鋼加固RC梁的方法在加固跨度較短或支座處承載力較低的梁時，應加強局部受壓承載力的計算，避免加固后梁發(fā)生支座處的脆性破壞。

（4）文中的試驗研究沒有做出加固后的梁的彎曲破壞形態(tài)，后期的試驗研究方案有待進一步改進。