鋼筋混凝土梁抗剪加固方法研究

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，莆田）

鋼筋混凝土梁是建筑結(jié)構(gòu)中用量最多的構(gòu)件類型之一，由于早期設(shè)計(jì)不足、施工質(zhì)量水平不高、超負(fù)荷使用、自然環(huán)境影響等原因，造成抗剪承載力不足，導(dǎo)致剪切破壞，而剪切破壞是一種典型的脆性破壞，需要極力避免。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）[1]規(guī)定，配置箍筋混凝土梁的斜截面承載力設(shè)計(jì)值為：

式中：Vcs為構(gòu)件斜截面受剪承載力設(shè)計(jì)值；αcv為斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)；ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；b 為截面的腹板寬度；h0為截面有效高度；fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Asv為配置在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s 為沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向的箍筋間距。

當(dāng)混凝土梁出現(xiàn)抗剪承載力不足時(shí)，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行加固和改造。

1 增加截面法[2]

增大截面加固法可以直接增加截面的寬度或有效高度，工藝簡(jiǎn)單、受力可靠、加固費(fèi)用低廉，是一種常見的抗剪加固方法。為了防止加固后的混凝土梁發(fā)生斜壓破壞（或腹板壓壞），同時(shí)限制在使用階段可能發(fā)生的斜裂縫寬度，受彎構(gòu)件加固后的斜截面應(yīng)符合以下條件：

當(dāng)4＜hw/b＜6 時(shí)，按線性內(nèi)插法確定。

式中，V 為構(gòu)件加固后剪力設(shè)計(jì)值；βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)；b 為截面腹板寬度；hw為截面的腹板高度。

由于養(yǎng)護(hù)期長(zhǎng)、減少建筑使用高度等原因，限制了增大截面法更廣泛的使用。采用增大截面法必須保證新舊混凝土界面的可靠粘結(jié)，如遇到原混凝土密實(shí)性太差甚至有孔洞、蜂窩等缺陷時(shí)，應(yīng)先替換缺陷混凝土，再進(jìn)行加固，以保證新舊混凝土可以協(xié)同工作。

2 置換混凝土加固法

置換混凝土加固法適用于混凝土強(qiáng)度偏低或混凝土內(nèi)部存在嚴(yán)重缺陷的加固，常用于混凝土質(zhì)量不合格或混凝土嚴(yán)重受損后的修復(fù)加固。換用混凝土的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原構(gòu)件混凝土提高一級(jí)，且不應(yīng)低于C25。

3 外貼鋼板法

外貼鋼板法是在混凝土梁表面用粘結(jié)劑粘貼鋼板以提高其抗剪承載力的方法，粘貼時(shí)加錨封閉箍或U 形箍，不得僅在側(cè)面粘貼。外貼鋼板法施工速度快，養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，且對(duì)建筑空間影響較小。外貼鋼板加固的有效性主要取決于鋼板的強(qiáng)度以及鋼板與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度。因此，采用外貼鋼板法時(shí)，需要根據(jù)使用環(huán)境選用正確的膠粘劑并做好鋼板的防銹工作。同增大截面加固法一樣，采用外貼鋼板法加固后混凝土梁截面尺寸也要式子（2）、（3）的要求。加固后的承載力提高值為：

式中：Vb,sp為粘貼鋼板加固后，對(duì)梁斜截面承載力的提高值；ψv為與鋼板的粘貼方式及受力條件有關(guān)的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)；Ab,sp為配置在同一截面處箍板各肢的截面面積之和；hsp為U 形箍板單肢與梁側(cè)面混凝土粘結(jié)的豎向高度；ssp為箍板的間距（mm）。

4 外包型鋼加固法

外包型鋼加固法，是采用橫向綴板或箍板為連接件，將型鋼包在原混凝土構(gòu)件表面、四周或兩側(cè)的一種加固方法，外包型鋼對(duì)核心混凝土的變形有較強(qiáng)的約束作用，可大幅度提高原結(jié)構(gòu)承載能力和抗震能力。這種加固方法適用面很廣，但加固費(fèi)用較高，且同外貼鋼板法一樣需要根據(jù)使用環(huán)境選用正確的膠粘劑并做好鋼板的防銹工作。

5 增設(shè)支點(diǎn)加固法

增設(shè)支點(diǎn)加固法是一種傳統(tǒng)的加固法，通過增加支點(diǎn)改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，這種方法施工方便，受力可靠且可拆卸，經(jīng)常用于搶險(xiǎn)工程。但由于需要增加支點(diǎn)，會(huì)嚴(yán)重影響建筑空間使用，在很多場(chǎng)合應(yīng)用受限。

6 FRP 加固法

傳統(tǒng)加固方法在提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的剛度和承載力方面起到了一定的作用，但是也都存在著自重大、影響建筑使用高度、不耐腐蝕等缺點(diǎn)，F(xiàn)RP 材料因其耐腐蝕、輕質(zhì)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固中，同時(shí)由于FRP 對(duì)于不同截面形狀（如構(gòu)件角部）的廣泛適用性，特別適合于混凝土梁的抗剪加固。

在梁的受剪加固中，F(xiàn)RP 的粘貼方式有多種，包括僅在梁兩側(cè)面粘貼FRP、于梁側(cè)和受拉面U 形粘貼FRP 以及沿整個(gè)梁截面封閉粘貼FRP。各國規(guī)范針對(duì)FRP 抗剪加固混凝土梁提出了不同的設(shè)計(jì)方法[3]：

（1）美國ACI 規(guī)范：

式中：Vf為FRP 抗剪承載力；fφ為與粘貼方式有關(guān)的折減系數(shù)，對(duì)于U形粘貼和側(cè)面粘貼，φf取0.85，封閉纏繞的φf取0.95；Af為FRP 橫截面面積；Ef為FRP 彈性模量；εfe為FRP 有效應(yīng)變；β 為纖維與水平線的夾角；df為FRP 端部到受拉鋼筋中心距離； sf為FRP 條帶中心距。

（2）英國Concrete Society 設(shè)計(jì)規(guī)范：

式中：n 為與粘結(jié)方式有關(guān)的系數(shù)，封閉纏繞的為0，U 形黏貼的為1，側(cè)面粘結(jié)的為2；

β為纖維與水平線的夾角；εfse為FRP 的有效應(yīng)變；Afs為垂直于FRP纖維方向截面面積，由于兩側(cè)對(duì)稱黏貼，所以Afs= 2bftf；df為FRP 端部到受拉鋼筋中心距離；Efd為FRP 的拉伸模量；lt,max為發(fā)揮完全錨固性能所需的錨固強(qiáng)度；sf為FRP 帶的縱向間隔。

（3）歐洲fib 設(shè)計(jì)規(guī)范：

式中,ef,ε為FRP 的有效應(yīng)變；Ef為FRP 彈性模量；wb為超過有效深度橫截面的最小寬度；d 為橫截面的有效深度；fρ為FRP 配箍率；d為梁的有效高度；β為纖維與水平線的夾角。

（4）我國《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]：

式中：Vbcf為碳纖維片材承擔(dān)的剪力；ncf為碳纖維片材的粘貼層數(shù)；wcf為環(huán)形箍或U 形箍的寬度；tcf為單層碳纖維片材的厚度；Scf為環(huán)形箍或U 形箍的凈間距；εcfv為達(dá)到受剪承載能力極限狀態(tài)時(shí)碳纖維片材的應(yīng)變；Ecf為FRP 彈性模量；hcf為U 形箍粘貼高度。

FRP 三種粘結(jié)方式中，封閉粘貼加固效果最好，但應(yīng)用范圍較小，在實(shí)際工程應(yīng)用中很難實(shí)施。對(duì)于側(cè)面粘貼和U 形粘貼FRP 加固混凝土梁，梁的主要破壞模式為FRP 剝離破壞。該種破壞模態(tài)發(fā)生時(shí)，F(xiàn)RP 的有效應(yīng)變主要是由FRP-混凝土粘結(jié)界面控制，F(xiàn)RP 的強(qiáng)度利用率很低，相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范建議采用端部錨固措施來防止FRP 剝離破壞[5]。

7 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況和使用環(huán)境選用不同的混凝土梁抗剪加固方法，相較于傳統(tǒng)的加固方法，F(xiàn)RP 材料因其耐腐蝕、輕質(zhì)、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，在混凝土抗剪加固中具有廣泛的應(yīng)用前景。但FRP 容易發(fā)生剝離破壞，不能充分發(fā)揮FRP 材料性能，導(dǎo)致FRP 材料利用率低，各國的相關(guān)規(guī)范建議采用端部錨固措施來防止FRP 剝離破壞，但是并沒有給出有效的錨固設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。因此，研究增強(qiáng)FRP 的錨固措施并提出可靠的設(shè)計(jì)施工方法，對(duì)于推廣FRP 在混凝土加固領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。