南京市某教育建筑框架梁的加固方法對(duì)比分析

余長(zhǎng)青，賈慧娟，施浩迪 （金陵科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169）

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)教育事業(yè)的大力推進(jìn)，教育環(huán)境問題逐漸成為社會(huì)焦點(diǎn)。對(duì)學(xué)生進(jìn)行素質(zhì)教育的同時(shí)，應(yīng)盡可能滿足其對(duì)大空間、大采光、安全性能好的教育建筑需求。因此，如何高效地對(duì)教育建筑進(jìn)行加固改造已成為重要課題。其中，對(duì)教育建筑框架梁的加固改造是目前較為主流的方式。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)此展開研究，如孫勇等[1]研究得出姜堰實(shí)驗(yàn)小學(xué)對(duì)鋼筋混凝土框架梁選用了粘貼碳纖維布的加固方法，抗震性能得到大幅提升；林于東等[2]使用U型鋼板箍對(duì)普通鋼筋混凝土梁試件進(jìn)行加固，有效提高了梁的斜截面受剪承載力；魏常寶等[3]對(duì)某多層框架結(jié)構(gòu)辦公樓的梁采用外包混凝土增大截面法和外包鋼筋法進(jìn)行加固，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性改善明顯；趙心濤[4]對(duì)平度市某中學(xué)的主梁進(jìn)行鑒定，并提出碳纖維布加固和粘貼鋼板加固的處理建議。本文基于教育建筑改造實(shí)例，對(duì)現(xiàn)有的加固方式進(jìn)行分析比較，得出相對(duì)更經(jīng)濟(jì)優(yōu)效的加固方式。

2 框架結(jié)構(gòu)中梁的常用加固方法及施工工藝

目前常用的加固方法有增大截面加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法。

增大截面加固法是一種通過增大原構(gòu)件的截面尺寸并增配鋼筋以提高構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的傳統(tǒng)加固方法。該方法施工簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)增大梁的強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性效果顯著，但是工程量大、周期長(zhǎng)、占用空間面積大。其施工工藝是去掉加固對(duì)象的荷載后，選用鑿毛法、噴砂法、高壓水射、切割打磨法等方式確認(rèn)合適的新、舊混凝土結(jié)合面[5]，提高結(jié)構(gòu)的整體性，然后涂抹界面劑，提高粘結(jié)性，最后植筋、綁扎、安裝混凝土、養(yǎng)護(hù)、脫模。

粘貼鋼板加固法是通過結(jié)構(gòu)膠在梁結(jié)構(gòu)外側(cè)薄弱部位粘貼鋼板，使兩者協(xié)同作用提高剛度的一種加固改造方式。該加固方法無(wú)需破壞原有的梁結(jié)構(gòu)，施工起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單快速，所需周期短，但對(duì)結(jié)構(gòu)膠的依賴性較大，需要結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度高、耐老化性能好、有較高的彈性模量和較強(qiáng)的粘結(jié)力。該方法在工程中的使用比較廣泛，其加固后的結(jié)構(gòu)耐久性能較好，造價(jià)相對(duì)較低。施工前先放線定位，然后對(duì)混凝土表面打磨和修補(bǔ)，對(duì)鋼材打磨和除銹，再涂抹粘結(jié)劑在混凝土表面上，最后將鋼板粘貼到混凝土上，等待固化完成，選用超聲儀檢測(cè)或用錘子錘擊鋼板，如無(wú)空洞聲，則粘貼完好[6]。

粘貼纖維復(fù)合材料加固法是利用結(jié)構(gòu)膠把碳纖維布粘貼在梁受損部位，使之形成整體，共同受力，改善構(gòu)件的受力狀態(tài)。纖維復(fù)合材料具備抗拉強(qiáng)度高、重量輕、耐久性好、施工方便快捷、質(zhì)量易于保證等優(yōu)點(diǎn)。加固后梁的外觀和高度無(wú)明顯變化，但纖維復(fù)合材料價(jià)格普遍較高，整體造價(jià)較大。在粘貼碳纖維布時(shí)，對(duì)加固構(gòu)件卸荷，打磨混凝土，去除雜質(zhì)，涂抹粘結(jié)劑，然后根據(jù)圖紙剪裁碳纖維布的具體尺寸，將其粘貼在混凝土表面，最后在碳纖維布上噴防火涂料，提高耐火性，防止破壞。

除此以外，還有預(yù)應(yīng)力加固法和增設(shè)支點(diǎn)加固法等其他的加固方式。預(yù)應(yīng)力加固法采用體外預(yù)應(yīng)力拉桿，此方法雖然會(huì)對(duì)梁結(jié)構(gòu)外觀產(chǎn)生較大影響，但計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便、施工快捷、造價(jià)低廉。施工時(shí)把原有柱子頂部鋼筋鑿出，用鋼板焊在鋼筋上，每根柱上圍三面鋼板，并在鋼板交接處進(jìn)行焊接，然后用鋼件焊于柱頂鋼板相應(yīng)的位置上。增設(shè)支點(diǎn)加固法包括彈性支點(diǎn)法和剛性支點(diǎn)法，該方法依靠增加支點(diǎn)，減少結(jié)構(gòu)的跨度與內(nèi)力，提高承載力。這種方法雖然操作簡(jiǎn)易，但是影響空間的使用，并且施工上必須保證支點(diǎn)的緊密結(jié)合與結(jié)構(gòu)力的有效傳遞。

3 某教育建筑框架梁的加固分析

3.1 工程概況

本工程為南京市某小學(xué)主樓結(jié)構(gòu)加固，加固結(jié)構(gòu)的立面圖如圖1 所示，始建于上世紀(jì)70 年代末，建筑功能為教學(xué)及辦公。工程總建筑面積為1150m2，五層單跨框架結(jié)構(gòu)，平面呈長(zhǎng)方形布置。工程外觀質(zhì)量良好，主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件沒有明顯扭曲、傾斜或歪扭，支撐大梁的墻體無(wú)豎向裂縫，目前仍然處于正常使用的狀態(tài)。

圖1 南京市某小學(xué)主樓結(jié)構(gòu)立面圖

施工角度方面，增大截面法和粘貼鋼板法較為傳統(tǒng)，技術(shù)成熟，而粘貼纖維復(fù)合材料加固法興起時(shí)間晚，施工技術(shù)要求高；工期方面，增大截面法的施工時(shí)間長(zhǎng)，粘貼鋼板法和粘貼纖維復(fù)合材料加固法則相對(duì)較短。綜合考慮以上兩方面因素，該工程選用增大截面法和粘貼鋼板法進(jìn)行對(duì)比研究。

3.2 既有教育建筑的模擬計(jì)算

本文采用有限元軟件對(duì)該工程進(jìn)行模擬計(jì)算。首先依據(jù)圖紙建立五層框架結(jié)構(gòu)的三維模型，其次對(duì)每層樓隨機(jī)選擇五根框架梁分別用增大截面法和粘貼鋼板法進(jìn)行加固，最后對(duì)比分析兩種方式的加固效果。圖2 為三維框架模型圖。

圖2 三維框架模型圖

考慮到該工程每層樓的布局相似，因此采用鋼卷尺和激光測(cè)距儀，在該工程頂層隨機(jī)抽取部分梁構(gòu)件，并測(cè)量截面尺寸，具體測(cè)量結(jié)果見表1。圖3為頂層平面圖。

表1 梁構(gòu)件截面尺寸測(cè)量結(jié)果匯總表

圖3 頂層平面圖

用增大截面的方式對(duì)每層樓對(duì)應(yīng)位置的五根梁進(jìn)行加固，各截面向h 方向底部增加200mm 高度并適配HPB300級(jí)鋼筋3Ф20，圖4 為梁5-1 增大截面法施工圖。

圖4 梁5-1增大截面法施工圖

用粘貼鋼板的方式對(duì)每層對(duì)應(yīng)位置的五根梁進(jìn)行加固，各截面的梁底部粘貼6mm×200mm 梁凈跨的鋼板，側(cè)面粘貼4mm×100mm@300mm 的U 型箍板，鋼材型號(hào)為Q235B。圖5 為梁5-1粘貼鋼板法施工圖。

圖5 梁5-1粘貼鋼板法施工圖

3.3 模擬結(jié)果分析

本文通過有限元軟件的計(jì)算結(jié)果，主要從受力和剛度兩個(gè)角度對(duì)比，分析兩種加固方式在《工程結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》（GB 55001-2021）荷載條件下的具體表現(xiàn)情況。

3.3.1 受力分析

梁的受力分析見表2，通過對(duì)比該梁的彎矩和剪力來(lái)分析兩種加固方式的加固效果。加固前該梁的最大彎矩為608.3kN·m，增大截面加固后，該梁的最大彎矩提高為677.3kN·m；粘貼鋼板加固后最大彎矩為608.8kN·m，與加固前差距不大。

表2 梁的受力分析表

加固前該梁的正剪力為53.0kN，負(fù)剪力為-46.9kN；增大截面加固后，該梁的正剪力提高到53.7kN，負(fù)剪力為-51.4kN；粘貼鋼板加固后正剪力為53.1kN，負(fù)剪力為-46.8kN，與加固前變化不大。

3.3.2 變形分析

鑒于單根梁的變形較小，對(duì)比不明顯，本文分析加固前后整個(gè)樓層的變形情況。如表3 所示，以頂層數(shù)據(jù)為例，加固前頂層X向剛度為5.939×103kN/m，Y向剛度為5.693×103kN/m，豎向荷載作用下的樓層最大位移為-2.27mm；增大截面加固后頂層X 向剛度為6.587×103kN/m，Y 向剛度為5.695×103kN/m，豎向荷載作用下的樓層最大位移為-1.86mm；粘貼鋼板加固后X 向剛度為5.937×103kN/m，Y 向剛度為5.691×103kN/m，豎向荷載作用下的樓層最大位移為-1.92mm。

表3 樓層的變形分析表

從X 向剛度來(lái)看，增大截面加固法提高較多，粘貼鋼板加固法提高較低；從Y 向剛度來(lái)看，兩種加固方式均提高不多；從樓層最大位移來(lái)看，兩種加固方式均有較大的優(yōu)化，但增大截面加固法效果更佳。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

從材料角度分析，對(duì)每層樓的部分梁構(gòu)件采用增大截面加固法需要增加混凝土5.68t，市場(chǎng)均價(jià)158 元/t，小計(jì)897.44元，使用HPB300級(jí)鋼筋0.44m3，市場(chǎng)均價(jià)約4200 元/t，小計(jì)14506.8 元，合計(jì)15404.24 元。而粘貼鋼板加固法需要Q235B 鋼板6.35t，市場(chǎng)均價(jià)為3900 元/t，小計(jì)24765 元，結(jié)構(gòu)膠500元，合計(jì)25265 元。表4 為兩種加固方式的材料成本統(tǒng)計(jì)表。

表4 兩種加固方式的材料成本統(tǒng)計(jì)表（單位：元）

從施工角度分析，增大截面加固法需要等待新、舊混凝土形成整體，后期需要養(yǎng)護(hù)，施工工期長(zhǎng)，人工成本高；粘貼鋼板加固法施工技術(shù)簡(jiǎn)單、工期短、人工成本低。增大截面加固法雖然材料成本低于粘貼鋼板加固法，但工期遠(yuǎn)長(zhǎng)于粘貼鋼板加固法，導(dǎo)致施工成本大大增加?？傮w而言，兩種加固方式的總成本相差不大，但粘貼鋼板加固法極大地縮短了工期，滿足教育建筑工期緊張的要求，適用性廣。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)既有的教育建筑實(shí)際工程進(jìn)行了兩種加固方式的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

①增大截面加固法和粘貼鋼板加固法均在一定程度上對(duì)結(jié)構(gòu)起到了有效的加固效果。相較于加固前，增大截面加固法和粘貼鋼板法都提高了梁的承載力，減小了樓層的豎向位移變形。

②從承載力的角度分析，增大截面加固法對(duì)梁的彎矩與剪力的變化大于粘貼鋼板加固法；從變形的角度分析，粘貼鋼板加固法與增大截面加固法均起到了良好的加固效果，但增大截面法的加固效果更顯著；從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，粘貼鋼板法總體成本與增大截面法相差不大，但施工工期短。

③考慮到教育建筑應(yīng)盡量不壓縮教學(xué)空間和施工時(shí)間有限的特殊性，相較于增大截面法，粘貼鋼板法既能起到一定程度的加固效果，又能在短時(shí)間內(nèi)完成施工。