淺析鋼板混凝土組合梁的加固

以鋼板混凝土組合梁加固方法為主要的研究對象，總結(jié)了組合梁的類型和特點(diǎn)，歸納了國內(nèi)相關(guān)研究學(xué)者對鋼板混凝土組合梁結(jié)構(gòu)承載力降低或由在外力作用下結(jié)構(gòu)遭受破壞的情況下，包鋼加固法，粘貼鋼板法，錨粘（焊）鋼板加固法等3種加固措施方法，為鋼板混凝土組合梁加固提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐應(yīng)用，同時(shí)提出了進(jìn)一步的完善相關(guān)施工工藝規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的建議。

鋼板混凝土組合梁，外包鋼加固，粘貼鋼板，錨粘（焊）鋼板

TU746.3A

施工技術(shù)與測量技術(shù)施工技術(shù)與測量技術(shù)

［定稿日期］2023-05-21

［基金項(xiàng)目］南寧學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：2019XJ18）；南寧學(xué)院科研平臺項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：KYPT202215）；南寧市青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培育項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：RC20190208）

［作者簡介］張鑫玉（1988—），男，碩士，工程師，講師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程。

0" 引言

隨著社會科技的不斷進(jìn)步，我國建筑物結(jié)構(gòu)材料從木，再到瓦、磚、石材等在建筑材料中的使用，建造出堅(jiān)固的木架建筑、木骨泥墻建筑、磚木結(jié)構(gòu)、石橋梁等；17世紀(jì)后，隨著工業(yè)革命工業(yè)化的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在橋梁和房屋中；19世紀(jì)20年代，由于波特蘭水泥的成功制成，造就混凝土的問世。結(jié)合混凝土抗壓強(qiáng)度好，鋼筋的抗彎能力強(qiáng)，便出現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，后又有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)，使建筑結(jié)構(gòu)得到飛躍發(fā)展。由于在鋼混組合建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中，如地震、二次結(jié)構(gòu)裝修、火災(zāi)等，組合梁難免會出現(xiàn)局部開裂、老化，而鋼材具有足夠的延展性，因此用鋼材加固組合梁成為常用的加固方法。如何能夠有效加固成為眾多研究人員研究的目標(biāo)。

1" 組合梁的類型

組合梁是將鋼板、鋼梁、混凝土等通過一定的連接方式形成一個(gè)整體，共同組合協(xié)同工作的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件。組合梁的分類主要分為：

（1）按照混凝土翼緣不同，可以分為現(xiàn)澆混凝土翼板組合梁、預(yù)制混凝土翼板組合梁、疊合板翼板組合梁、壓型鋼板混凝土翼板組合梁。

（2）按照截面形式不同，可以分為外包混凝土組合梁、T形組合梁、側(cè)錨組合梁。

（3）按照鋼梁形式不同，可以分為工字形組合梁、箱形組合梁、鋼桁架組合梁、蜂窩形鋼梁組合梁等。

2" 鋼板混凝土組合梁的特點(diǎn)

由于鋼板混凝土組合梁在實(shí)際工程中為廣大工程設(shè)計(jì)人員在建筑結(jié)構(gòu)加固并使用，吳建平等［1］對此組合梁特點(diǎn)進(jìn)行了歸納，主要有幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）發(fā)揮各自特性。鋼板混凝土組合梁能夠充分發(fā)揮鋼板的抗高溫、抗高壓、抗低溫、耐腐蝕，而混凝土材料具有價(jià)格低、粘接性好等特點(diǎn)。

（2）增加組合梁結(jié)構(gòu)剛度。由于在鋼板混凝土組合梁共同受力中，混凝土板在翼板的作用，梁截面重心均會向板的方向移動，從而使鋼板混凝土組合梁腹板大部分處于受拉狀態(tài)，致使組合梁的截面剛度還是側(cè)向剛度都增大。在同一荷載作用下，鋼板組合梁可以比普通梁的梁高低，還能夠避免鋼梁腹板發(fā)生局部受壓屈服。

（3）節(jié)約工程項(xiàng)目成本。在同一受力構(gòu)件使用過程中，采用鋼板混凝土組合梁共同工作比用純鋼板梁的成本降低約20%～40%；施工過程中，可以以鋼板組合梁作為模板的支撐體系，現(xiàn)場澆筑混凝土樓面（橋面）板，不但能夠節(jié)省施工模板周轉(zhuǎn)材料的使用量，還能夠加快施工進(jìn)度。

（4）提高生活環(huán)境質(zhì)量。鋼板混凝土組合梁在橋梁使用過程中，可以減少噪聲污染；在房屋結(jié)構(gòu)中，可以減少梁高，為增加房屋凈空或者降低房屋總高度帶來一定的優(yōu)勢。

綜上所述，鋼板混凝土組合梁無論在結(jié)構(gòu)上、經(jīng)濟(jì)上、還是環(huán)保中，都能夠給社會帶來一定的效益，因此，鋼板混凝土組合梁在工程建設(shè)中，占有舉足輕重的地位。

3" 鋼板混凝土組合梁的加固方法

鑒于鋼板混凝土組合梁在建筑工程、橋梁工程的應(yīng)用，因此，如何對鋼板混凝土組合梁進(jìn)行加固，許多研究人員進(jìn)行了探討?；谧罱鼛啄甑募庸谭椒ㄖ校性龃蠼孛娣?、纖維復(fù)合材料加固法、外包鋼加固法、粘貼鋼板法、錨粘（焊）鋼板等方法，本文主要從外包鋼加固法、粘貼鋼板法、錨粘（焊）鋼板這3種方法進(jìn)行介紹。

3.1" 外包鋼加固法

外包鋼加固法是指采用型鋼或者鋼板在原損壞構(gòu)件外表面的四角、兩側(cè)或者底面進(jìn)行包裹，在包裹縫隙間填灌高強(qiáng)度的水泥砂漿或者其他漿料，并以套箍作為連接件，以提高加固后構(gòu)件的整體受力性能［2］。

陳軒［2］以浙江舟山電廠脫硝改造工程項(xiàng)目中的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)受力特性，以外包鋼加固形式對梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入研究，從加固后組合梁的承載能力和破壞模式進(jìn)行混凝土損傷塑性模型及相關(guān)材料參數(shù)選取，在不同受力階段，加固后的梁的受力變化，以此對比未加固的梁，得出加固后的組合梁的受力性能得到提升、剛度和延性也增強(qiáng)從而得到修正后的外包鋼組合承載力的相關(guān)計(jì)算方法。

高悅［3］提出新型部分外包鋼-混凝土組合梁的腹板中心兩側(cè)混凝土用輕質(zhì)巖棉板替代混凝土，上下翼緣內(nèi)側(cè)以及巖棉板外側(cè)用鋼筋混凝土填充形成“C”形混凝土薄殼，鋼梁翼緣與內(nèi)側(cè)混凝土利用栓釘抗剪連接件進(jìn)行連接，形成組合結(jié)構(gòu)共同抵抗外部荷載，具體見圖1。這種組合梁具有巖棉板自重較輕的特點(diǎn)，在施工過程中，操作較為簡單，由于其新型材料的使用使之具有更高的經(jīng)濟(jì)效益，滿足自然資源持久性發(fā)展的需求。在研究設(shè)計(jì)過程中，以6個(gè)新型部分外包鋼-混凝土組合梁試件和2個(gè)純鋼梁試件進(jìn)行單調(diào)靜力集中荷載對比，并利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行有限元精細(xì)化參數(shù)分析，可得組合梁極限承載力較普通純鋼梁極限承載力提高，增大組合梁截面高度來提高新型組合梁的極限受剪承載能力最為經(jīng)濟(jì)有效。

張莉［4］提出使用再生混凝土代替普通的高強(qiáng)U形外包鋼的組合梁研究，見圖2。研究中對4組簡支組合梁進(jìn)行了集中加載試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟包括材料選取、試件制作與設(shè)計(jì)、試件加載、測點(diǎn)布置以及試驗(yàn)結(jié)果與分析，結(jié)果表明：（1）簡支組合梁受彎形態(tài)變化情況中高強(qiáng)U形外包鋼-混凝土再生混合梁的形態(tài)破壞最輕;（2）得出4組簡支組合梁抗變形能力排序：新型高強(qiáng)U形外包鋼組合梁（鋼梁強(qiáng)、混凝土受力性能強(qiáng)、部分再生混凝土）gt;新型高強(qiáng)U形外包鋼組合梁（鋼梁強(qiáng)、混凝土受力性能弱）≥U形外包鋼組合梁（鋼梁弱、混凝土受力性能強(qiáng)）gt;U形外包鋼組合梁（鋼梁和混凝土受力性能均弱）。

由以上研究可知，外包鋼組合梁的構(gòu)件強(qiáng)度均可用提高構(gòu)件的承載力，但是外包鋼組合梁中，外包使用的鋼材需求量有關(guān)系，在建筑構(gòu)件損壞需要加固時(shí)，需要衡量重做與此加固方法更經(jīng)濟(jì)才能夠確定加固方式。

3.2" 粘貼鋼板法

粘貼鋼板法是指通過建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板牢牢粘在需要加固的混凝土結(jié)構(gòu)表面，使鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)有效結(jié)合，達(dá)到共同受力，提高構(gòu)件相應(yīng)承載力和剛度等性能。這種方法適用性強(qiáng)，施工操作簡便，在實(shí)際工程的應(yīng)用廣泛。

羅潤澤［5］以某地下停車場混凝土梁加固項(xiàng)目為例，以3種不同加固形式的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，無任何加固措施的鋼筋混凝土梁在試驗(yàn)中，主要成荷載-撓度曲線為典型的延性破壞的應(yīng)力應(yīng)變過程；以普通鋼板加固的鋼筋混凝土梁在試驗(yàn)中，以脆性破壞特征的荷載-撓度曲線，應(yīng)力應(yīng)變過程與普通梁的破壞過程極為相似；以不銹鋼板加固的鋼筋混凝土梁在試驗(yàn)時(shí)，呈現(xiàn)脆性剝離破壞特征的荷載-撓度曲線，斷崖式的破壞。因此，在實(shí)際工程項(xiàng)目加固時(shí)，應(yīng)該首選普通鋼板作為加固材料。

施工技術(shù)與測量技術(shù)張鑫玉， 李明懋： 淺析鋼板混凝土組合梁的加固

唐皇等［6］以著重研究銹蝕鋼筋混凝土梁在不同鋼板加固時(shí)承載性能的變化影響，分別從抗彎、抗剪、兩者組合方式的加固進(jìn)行靜力荷載試驗(yàn)，研究結(jié)果表明：（1）承載力對比：組合方式加固優(yōu)于抗彎加固方式。兩者組合方式加固的承載力效果最為明顯，提高了107.7％；對于抗彎加固試件，鋼板厚度從3 mm→4 mm→5 mm增加，極限承載力也成增加狀態(tài)，每1 mm的厚度，承載力增加7～18 kN；（2）抗變形能力對比：組合加固銹蝕梁gt;抗彎加固銹蝕梁，鋼板厚度增加能夠提高一定的抗變形能力；（3）延性對比：組合加固銹蝕梁gt;抗剪加固銹蝕梁gt;抗彎加固銹蝕梁，其中組合加固銹蝕梁提高了320.4％。綜上所述，銹蝕梁的加固效果如何，需要同時(shí)考慮抗變形能力和延性。

從以上研究內(nèi)容可知，粘貼鋼板法施工工藝比較簡單，普通鋼板作為加固材料可以提高構(gòu)件的抗變形能力、承載力、延性等，但是在建筑構(gòu)件損壞時(shí)需要判斷屬于哪一種破壞，以此作為選擇粘貼鋼板法加固方式的依據(jù)。

3.3" 錨粘（焊）鋼板加固法

錨粘（焊）鋼板加固法是指采用連接件將鋼板錨固于需要加固構(gòu)件表面處，使混凝土構(gòu)件與鋼板的加固成一個(gè)有機(jī)整體，共同承受荷載或變形，從而達(dá)到加固效果。

賈斌［7］在研究中指出錨粘鋼板加固操作便捷，前期工作量較少，使用用低性能膠粘能夠防止鋼板銹蝕，加固后的協(xié)同受力仍舊以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞。在錨粘鋼板加固鋼筋混凝土梁時(shí)，首先要冷軋方式處理鋼板條，除銹，然后在加固處進(jìn)行整平，用粘貼膠涂抹在經(jīng)處理后的混凝土表面，鋼板打孔，再將鉚釘打入孔時(shí)需要有粘貼膠被擠出，最后進(jìn)行加固防護(hù)處理。錨粘鋼板加固的效果會受到相關(guān)加固材料、技術(shù)等影響。

錢威等［8］從加固梁的兩側(cè)和底面進(jìn)行設(shè)計(jì)加固，見圖3錨焊U形鋼板加固的混凝土梁試件。從3組以不同的配筋率、抗剪螺栓間距、抗屈曲螺栓數(shù)量和鋼板厚度研究其變化規(guī)律。由試驗(yàn)結(jié)果可知，采用錨焊U形鋼板加固混凝土梁在承載荷載過程中，它的破壞模式屬于延性的彎曲破壞，且整體性良好。采用軟件ABAQUS建立模型，進(jìn)行有限元分析，得出加固效果與配筋率有關(guān)系，配筋率越高反而加固效果越差；當(dāng)抗剪螺栓間距減小時(shí)，鋼板與混凝土的滑移量減小明顯，整體性顯著增強(qiáng)；腹板設(shè)置抗屈曲螺栓的數(shù)量越多，則限制側(cè)板的局部滑移和屈曲失穩(wěn)效果越明顯，而單排設(shè)置加固效果最為經(jīng)濟(jì)；鋼板厚度的增加對梁的剛度和極限強(qiáng)度均有增加。

采用錨粘（焊）鋼板加固法進(jìn)行鋼-混凝土組合梁的加固，均能夠在增加加固構(gòu)件的承載力，采用施工操作過程中，對焊接或者鉚接工藝要求高，因此有關(guān)焊接或者鉚接工藝標(biāo)準(zhǔn)還需要進(jìn)一步的探討。

4" 結(jié)論

隨著裝配式建筑在我國的大力推廣，鋼板混凝土組合梁在建筑和橋梁等領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，鋼板混凝土組合梁的加固方法的探索是有必要的。本文通過3種常用的以鋼板為主要加固材料的方法進(jìn)行鋼板混凝土組合梁的加固，得知鋼板組合梁加固具有良好的承載力性能、抗變形能力、延性等，并為社會帶來良好的綜合效益。在研究過程中，由于考慮因素不夠全面，如施工工藝問題等，因此，如何更好將鋼板混凝土組合梁加固措施更好的使用，還需要國家相關(guān)部門、設(shè)計(jì)單位以及施工單位達(dá)成共識，完善相關(guān)工藝施工規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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［4］" 張莉.高強(qiáng)U形外包鋼-混凝土再生混合梁的受彎性能研究［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，37（1）：62-67.

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［8］" 錢威，楊鋒，王培成，等.錨焊U形鋼板加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（16）：86-92.