倒U型箍新型加固梁的原理及應(yīng)用

李國俊 馬天銀 周杰

摘要：本文分析了傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁加固方法的不足，提出了倒U型螺桿加固鋼筋混凝土梁的新型方法，可顯著提高梁的承載力，且傳力明確、工藝簡單、施工方便。通過對倒U型螺桿新型加固方法在某辦公樓中的應(yīng)用介紹，可為類似工程的加固提供參考。

關(guān)鍵詞：荷載增加;鋼筋混凝土梁;倒U型螺桿;新型加固方法

Abstract： A new RC beam reinforcement method， inverted U-shaped screw member was proposed， considering the disadvantage of traditional of RC beams reinforcement methods. The flexural strength of RC beam was enhanced obviously with the help of inverted U-shaped screw member， and the new reinforcement method has many advantage， e.g.， clear force-transferring path， simple technology， convenient in construction， etc. A practical construction reinforcement by the new inverted U-shaped screw member introduced， which can provide references for similar project about design and construction.

Keywords： increasing load; RC beam， inverted U-shaped screw member; new reinforcement methods

混凝土結(jié)構(gòu)存在因使用功能改變、結(jié)構(gòu)荷載增加，而需要加固的問題。結(jié)構(gòu)加固方法可以分為兩類，即直接加固法和間接加固法。工程中常用的鋼筋混凝土梁的加固方法有[1]：加大截面加固法、外包鋼加固法、粘鋼加固法等。這些加固方法主要存在以下不足：尺寸增加較大，加固效果較差;工藝復(fù)雜，施工困難;傳力復(fù)雜，耐久性差。本文提出一種鋼筋混凝土梁的新型加固方法，可保證角鋼與梁的緊密結(jié)合，該加固方法傳力明確、可靠，可大幅提高結(jié)構(gòu)承載力，且工藝簡單，施工方便。鋼筋混凝土梁的新型加固方法，已獲得實用新型專利，專利號：ZL201120165733.2。

1 鋼筋混凝土梁的一般加固方法

對受彎構(gòu)件進行加固，主要提高受彎構(gòu)件的抗彎、抗剪承載能力，增加剛度，以達到對受彎構(gòu)件加固、補強的目的。

本文依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》[1]中提供的混凝土梁加固方法，分析傳統(tǒng)加固方法的不足。

1.1 U型箍加固

圖1所示為U型箍加固的簡圖，該加固方式主要存在如下不足：①梁底部扁鋼條與兩角鋼焊接，沿梁軸線的扁鋼箍或鋼筋箍與梁下角的角鋼也采用焊接。焊接一方面易使角鋼變形，導(dǎo)致角鋼與梁不能緊密粘結(jié)甚至粘結(jié)失效，另一方面焊接也容易咬傷受力構(gòu)件，影響加固效果。②角鋼與梁用乳膠水泥、環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿等方法粘結(jié)，易老化，其耐久性難以保證。

1.2 斜倒U型箍加固

圖2所示為倒U型箍加固，該加固方式主要存在如下不足：①梁的斜截面采用倒U形箍筋，斜U型箍彎折處難以形成直角，而梁底一般為直角，即使在被加固梁的下側(cè)設(shè)鋼墊板，在U形箍轉(zhuǎn)折處依然會造成梁底角的破損，且工藝復(fù)雜。②倒U形箍與斜截面相交設(shè)置，需在板中打斜向孔洞，施工困難。

1.3 U型箍板加固

附加錨固扁鋼加固（圖3），主要存在如下不足：①梁底加固鋼板與梁間的粘接劑易老化，加固耐久性難以保證。②梁底粘鋼只可增加40%的承載力，加固能力有限。③梁斜截面粘接并聯(lián)U形箍板進行加固，用膠粘貼在梁上，其結(jié)合程度難以控制。④ 為了錨固U型箍板，需在上端粘貼縱向鋼壓并以膨脹螺栓錨固于梁上，傳力不直接，且工藝繁瑣。⑤ U型箍板高度僅延伸至梁板底，影響整體加固效果。

2 鋼筋混凝土梁的新型加固方法

針對現(xiàn)有上述常用加固方法的不足，依據(jù)鋼筋混凝土梁的受力機理，結(jié)合工程的實際，參照《混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造》[2]及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]，對傳統(tǒng)加固方法進行改進，提出一種鋼筋混凝土梁的新型加固方法-倒U型螺桿新型加固法。

2.1 倒U型螺桿新型加固法

作為鋼筋混凝土梁新型加固方法，主要特征如圖4所示。

新型加固方法采用兩角鋼分別粘貼于梁底角，將倒U型螺桿向下依次穿過上部鋼墊板和樓板，在梁的底角通過鎖緊螺母固定在下部鋼墊板之上。之后在樓板上澆筑鋼筋混凝土保護層，覆蓋U型螺桿和上部鋼墊板，提高了樓板的承載力，達到樓面外表面的美觀性要求。

2.2 倒U型螺桿新型加固法的優(yōu)點

倒U型螺桿加固鋼筋混凝土梁提供了一種保證角鋼與梁緊密結(jié)合的方式。與現(xiàn)有技術(shù)相比，倒U型螺桿加固法具有如下優(yōu)點：

1）角鋼與梁間粘結(jié)力、倒U型螺桿施加給角鋼的預(yù)應(yīng)力使得角鋼與梁的緊密結(jié)合得到了雙重保障。

2）梁底的下部鋼墊板、角鋼、倒U型螺桿形成了鋼構(gòu)套骨架，通過對梁施加預(yù)應(yīng)力而形成一個受力整體，可明顯提高結(jié)構(gòu)承載力，不僅傳力明確，而且避免了傳統(tǒng)焊接時角鋼產(chǎn)生變形及咬傷。

3）倒U型螺桿穿過樓板，固定于梁底的下部鋼墊板上，即實現(xiàn)對梁斜截面的全高加固，又避免了對梁底直角棱的破損。

4）倒U型螺桿從上往下穿插，并采用螺栓連接，工藝簡單、方便施工。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

重慶市北部新區(qū)某商務(wù)中心辦公樓建于2007年，為21層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑總高度79.8m，A級高度。辦公樓投用后，第13層的B-13、B-14兩條軸線之間的整跨，由原來的辦公用房改變?yōu)闄n案庫使用，其柱距9.3m×8.1m，總面積約286m2，層高3.6m。原設(shè)計的辦公用房樓面活荷載標準值為2.0kN/m2，而現(xiàn)用途的檔案庫樓面活荷載標準值增大到7.5kN/m2。為確保安全，需對改變房間功能后原樓柱、梁、板的安全性進行評價，必要時進行加固改造。

3.2 計算分析

原結(jié)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)安全等級為二級，構(gòu)件抗震等級為三級、6度抗震設(shè)防、第1組、III類場地，室內(nèi)環(huán)境類別為一類。原結(jié)構(gòu)混凝土為C30，鋼筋混凝土主、次梁截面分別為：350×700mm、250×500mm，主、次梁梁底主受力筋分別為4C25、3C16，端部負彎矩分別為6C25、3C20，主筋鋼筋等級為HRB400，箍筋鋼筋等級為HPB235。

采用中國建筑科學(xué)研究院編制的SATWE程序?qū)Y(jié)構(gòu)進行計算分析。依據(jù)原設(shè)計圖紙在SATWE計算模型中輸入結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)，活荷載取按建筑功能改造改變后的樓面活荷載標準值7.5kN/m2。計算分析表明：梁的配筋不能滿足承載力要求[3][4]，板的跨中及支座配筋均不能滿足承載力要求和正常使用要求[3][4]。因此需要對梁和樓板進行加固處理。

3.3 加固方案及驗算

3.3.1 加固措施

樓板采用板底粘貼碳纖維復(fù)合材和板頂澆筑混凝土的混合加固方法，具體的加固計算和操作詳見文獻[5]。主梁和次梁的加固即采用本文提出的倒U型螺桿新型加固方法，如圖6（a）所示，為了滿足防火要求，所有外露鋼構(gòu)件據(jù)均采用熱鍍鋅、并刷防火涂料的措施（圖6（b））。

主梁梁底兩角的角鋼采用L140×10，倒U型螺桿采用A20@200，下部和上部鋼墊板分別采用鋼板-14×100×500mm、-14×100×480mm，鋼材為Q235B，倒U型螺桿用HPB300。梁端負彎矩處澆筑鋼筋混凝土，其中受力鋼筋增加4C25，新澆筑60mm厚的C35混凝土層。

次梁梁底兩角的角鋼采用L100×10，倒U型螺桿采用A12@300，下部和上部鋼墊板分別采用鋼板-10×80×320mm、-10×80×300mm，鋼材用Q235B，倒U型螺桿用HPB300;梁端負彎矩處新澆筑50mm厚的C35混凝土層。

3.3.2 加固后結(jié)構(gòu)承載力的驗算

辦公用房因使用功能改變而增載后，主梁跨中正彎矩為609kNm，端部最大負彎矩為732kNm，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB50367-2013）[7]計算加固后結(jié)構(gòu)的承載力。對于矩形截面受彎構(gòu)件的受拉面外包型鋼進行加固時，加固后正截面的承載力要滿足：

類似可驗算主梁抗剪和次梁承載力均滿足要求。

主梁采用倒U型螺桿新型加固方法加固后，梁的承載力為加固前的近4倍，大大提高了構(gòu)件的承載力，較好的滿足了檔案庫的承載力要求。

3.4 加固效果

本檔案庫已投運了9年，經(jīng)檢測加固后的梁板沒有不良反應(yīng)，使用狀況良好，取得了理想的加固效果。且在在加固施工中，不需要支底模，倒U型螺桿由上往下穿、螺栓連接，大大方便了施工，現(xiàn)場工期不到傳統(tǒng)技術(shù)方案的一半，綜合造價節(jié)省了約30%。

4 結(jié)語

倒U型螺桿新型加固方法提供了一種保證角鋼與梁緊密結(jié)合的鋼筋混凝土梁加固形式。該加固方法傳力明確、可靠，可明顯提高結(jié)構(gòu)承載力，且工藝簡單，施工方便，易于推廣。

該加固方法已用于辦公樓檔案庫的加固，加固效果好，達到了預(yù)期目的，為類似現(xiàn)澆混凝土梁結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計提供了一種參考。

參考文獻：

[1]王文棟等. 《混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)造手冊》（第三版）[M]. 中國建筑工版社 2008.

[2]06SG311-1-2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造[S].

[3]GB50010-2010. 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB50009-2012. 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[5]李國俊.周杰.碳纖維與增大截面混合法加固樓板結(jié)構(gòu)的計算及應(yīng)用[J]. 工業(yè)建筑，2015，45：327-330.

[6]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[7]GB50367-2013. 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].

作者簡介：馬天銀，男，1976年出生，工程師。

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