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        鋼筋混凝土梁加固方法及分析

        2011-02-05 00:38:18劉相
        四川建筑 2011年1期
        關(guān)鍵詞:碳纖維承載力混凝土

        劉相

        (遼東學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院,遼寧丹東118003)

        在實(shí)際工程中,常常因?yàn)樵O(shè)計(jì)不周、施工質(zhì)量差、施工現(xiàn)場(chǎng)管理不善等原因,導(dǎo)致鋼筋混凝土梁等受彎構(gòu)件承載力不足,引起承載力不足的原因還有火災(zāi)使鋼筋混凝土梁的混凝土及鋼筋強(qiáng)度降低,或者由于改變結(jié)構(gòu)的使用功能而使梁承受的荷載增加等等。當(dāng)出現(xiàn)這些情況時(shí),需對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固。鋼筋混凝土梁的加固方式有很多,而常用的傳統(tǒng)加固方式有增大截面法、粘結(jié)鋼板法等。近年來(lái)隨著碳纖維布材料在土木工程中的應(yīng)用和發(fā)展,出現(xiàn)了粘碳纖維布加固法和復(fù)合加固等新型加固方法,本文主要對(duì)這幾種加固方式的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析。

        1 傳統(tǒng)加固方法

        1.1 增大截面加固法

        增大截面加固法是指在構(gòu)件的上面或下面澆一層新混凝土和補(bǔ)加相應(yīng)的鋼筋,以提高構(gòu)件的承載力,此方法較直觀。在構(gòu)件的受壓區(qū)補(bǔ)澆混凝土?xí)r,可以有效地增加構(gòu)件的有效高度,從而提高構(gòu)件的抗彎、抗剪承載力,增大構(gòu)件的剛度;在受拉區(qū)補(bǔ)澆混凝土,可對(duì)補(bǔ)澆的鋼筋起到粘結(jié)和保護(hù)作用。

        1.1.1 新舊混凝土各自獨(dú)立工作(受壓區(qū)補(bǔ)澆混凝土)

        由于后澆層與原構(gòu)件之間結(jié)合面未能很好地處理,新舊混凝土粘結(jié)強(qiáng)度不夠,此時(shí),構(gòu)件受力后,不能保證其變形符合受彎平截面假定,而只能將新舊混凝土視為各自獨(dú)立工作考慮,承擔(dān)的彎矩按新舊混凝土截面剛度進(jìn)行分配。

        式中:hx為新混凝土高度;hj為舊混凝土高度。Mx為新混凝土承擔(dān)的彎矩;Mj為舊混凝土承擔(dān)的彎矩;Kx為新混凝土的截面剛度;Kj為舊混凝土的截面剛度;Mz為構(gòu)件承擔(dān)的總彎矩。

        1.1.2 新舊混凝土整體工作(受壓區(qū)補(bǔ)澆混凝土)

        新舊混凝土獨(dú)立工作時(shí),其承載力較低,因此對(duì)構(gòu)件加固,應(yīng)盡量使新舊混凝土共同工作,而要保證新舊混凝土共同工作,則新舊混凝土結(jié)合面可采取以下措施:⑴將原構(gòu)件頂面鑿毛、洗凈,并隔一定間距鑿一凹槽,以便二次澆筑混凝土?xí)r形成剪力鍵。⑵將原構(gòu)件表面鑿毛、洗清后,涂上一層粘結(jié)力強(qiáng)的漿液(如丙乳膠水泥漿,107膠聚合水泥漿),同時(shí)澆筑新混凝土。⑶在后澆層中加配箍筋及架立筋,并設(shè)法與原構(gòu)件中的鋼筋連接或錨入原構(gòu)件混凝土中。⑷由于在加固前,構(gòu)件已承受彎矩,而后澆之疊合層,只承擔(dān)后加荷載,因此,疊合層的混凝土應(yīng)力較原混凝土滯后,而鋼筋的應(yīng)力超前,根據(jù)規(guī)范規(guī)定,疊合構(gòu)件的計(jì)算與混凝土整澆梁采用相同的正截面承載力計(jì)算方法。但是疊合構(gòu)件的原受拉鋼筋應(yīng)力σs=σs1+σs2≤0.9 fy,式中,σs1為后澆混凝土參與工作之前在原彎矩M1作用下原鋼筋應(yīng)力,σs1=M1/(AS×η1×h0);σs2為后澆混凝土參與工作之后在新增彎矩M2作用下原鋼筋新增加的應(yīng)力,σs2=M2×(1-β)/(AS×η2×h0);η1、η2為裂縫截面的內(nèi)力臂系數(shù),可取0.87;AS為受拉鋼筋的面積。

        1.1.3 受拉區(qū)增厚并增加鋼筋

        在梁底面增加混凝土厚度的主要目的在于增加受拉鋼筋,通常是緊貼原梁底增加受拉鋼筋,將增加受拉筋與原主筋聯(lián)結(jié)。為了增大內(nèi)力偶力臂,也可在受拉區(qū)增厚混凝土,這時(shí)增加的拉筋可通過(guò)附加彎起筋與原主筋焊接。當(dāng)受拉區(qū)厚度較大時(shí),還應(yīng)增加U形箍筋,并與原結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)牢固。在受拉區(qū)增加鋼筋加固的構(gòu)件可按一般受彎構(gòu)件計(jì)算,其計(jì)算公式:

        其中εbh02≤x≤2as'

        1.2 粘結(jié)鋼板加固法

        粘結(jié)鋼板法通常用于加固受彎構(gòu)件,只要粘結(jié)材料質(zhì)量可靠,施工質(zhì)量良好,則當(dāng)截面達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),粘結(jié)在梁受拉邊的鋼板可以達(dá)到屈服強(qiáng)度,但必須保證鋼板在拉斷之前不發(fā)生脫膠等粘結(jié)破壞現(xiàn)象,即外部粘結(jié)加固鋼板的錨固至關(guān)重要。其截面承載力可按下式進(jìn)行計(jì)算:

        式中,fy為原縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,fy'為原縱向鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,As為原構(gòu)件縱向受拉鋼筋截面積,As'為原構(gòu)件縱向受壓鋼筋截面積,fay為加固鋼板抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,Aa為加固鋼板截面積,0.9為考慮加固鋼板應(yīng)力滯后等不利因素的折減系數(shù),x為混凝土受壓區(qū)高度,b為原構(gòu)件截面寬度,h01為加固后截面的有效高度。

        2 碳纖維布加固法

        碳纖維布加固受彎構(gòu)件通常是在梁底面粘貼CFRP板,在粘貼CFRP板之前,首先應(yīng)將梁底粘貼區(qū)域進(jìn)行表面處理。適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚淼哪康脑谟谌コ炷帘砻娴谋∪鯇?,露出?jiān)實(shí)的混凝土層并打磨平整,以保證混凝土與CFRP間粘結(jié)可靠。為了防止CFRP板端部的剝離,可以采取附加錨固措施。常見(jiàn)的做法將CFRP U形箍粘貼或用螺栓錨固于端部,用于端部錨固的附加CFRP條帶既可以纏繞整個(gè)梁截面,也可以只覆蓋梁高的一部分。其計(jì)算公式:

        式中,Acf為受拉面粘貼的碳纖維片材截面面積,fcf為碳纖維布的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度。對(duì)于fcf的值可取其達(dá)到允許極限應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值,即

        3 工程算例

        一框架梁凈跨6.3 m,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35,鋼筋Ⅱ級(jí),截面b×h=400 mm×800 mm,梁跨中原設(shè)計(jì)彎矩為M=355 kN·m,受拉主筋4φ22,As=1 520 mm2,受壓鋼筋為4φ20,As'=1 256 mm2?,F(xiàn)房屋用途有改變,需承擔(dān)彎矩M=470 kN·m。試選擇加固方案。

        方案一:在框架梁受拉區(qū)增加混凝土厚度為60 mm,采用C35。經(jīng)計(jì)算需增加的受拉鋼筋A(yù)s=504.67 mm2,選用2φ18即可。

        方案二:在框架梁底面粘結(jié)Q235鋼板,厚度5 mm,經(jīng)計(jì)算鋼板Aa=729.54 mm2,此時(shí)寬度145.9 mm,選用鋼板寬150 mm。

        方案三:在框架梁底面粘結(jié)碳纖維布,經(jīng)計(jì)算Acf=80.41 mm2,選用兩層碳纖維布,寬度與梁等寬,厚度0.222 mm。

        從以上三個(gè)方案可以看出,在達(dá)到相同承載力的時(shí)候,碳纖維布加固法所用的加固材料最少,且厚度最小。

        4 結(jié)論

        (1)加大截面法對(duì)承載力提高較多。但是對(duì)構(gòu)件自重增加較大,降低建筑空間的高度且施工較復(fù)雜。粘結(jié)鋼板法可以較大程度提高承載力。但鋼板潛力難于發(fā)揮,不好粘貼,且鋼板防腐處理也較難。碳纖維布加固法是一項(xiàng)新型高效的加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù),具有明顯的高強(qiáng)、高效、施工便捷、適用面廣等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是價(jià)格比較貴。

        (2)對(duì)受彎構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計(jì)需考慮加固材料與原構(gòu)件共同作用問(wèn)題,若加固材料不能達(dá)到其強(qiáng)度限制,需考慮一定的折減。

        (3)加大截面法、粘結(jié)鋼板法等傳統(tǒng)的加固方法與碳纖維布加固法都要考慮加固材料(如鋼筋、鋼板與碳纖維布)能有效的錨固在其原構(gòu)件上。

        [1]梁興文.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008

        [2]趙彤,謝劍.碳纖維布補(bǔ)強(qiáng)加固混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)[M].天津大學(xué)出版社,2001

        [3]江見(jiàn)鯨,王元清,龔曉南,等.建筑工程事故分析與處理[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006:184-210

        [4]CFCS25:90混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范[S]

        [5]張立人.建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)、鑒定與加固[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1999

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