周恒芳

（中原科技學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)代土木工程的發(fā)展大致分為三個(gè)階段［1］：第一階段為大規(guī)模建設(shè)階段；第二階段為新建建筑與既有建筑改造加固共存階段；第三階段為既有建筑改造加固階段。隨著我國(guó)建筑業(yè)的快速發(fā)展，目前我國(guó)已處于新建建筑與既有建筑改造加固共存的第二階段，并且隨著城市大規(guī)模建設(shè)的完成，新建建筑的速度明顯減緩，需加固改造的建筑物數(shù)量逐年增多。世界上很多發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)入既有建筑改造加固為主的第三階段，因此既有建筑改造加固將成為我國(guó)土木工程未來研究的主要方向，作為建筑行業(yè)的從業(yè)人員，很有必要對(duì)建筑物的改造加固技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行深入研究。

目前，我國(guó)改造加固的建筑物中，對(duì)老舊小區(qū)［2］、老舊廠房［3］及公共建筑［4］的改造較多，本研究主要就某既有廠房（鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)）中梁的正截面加固設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

1 工程概況

該工程為建成于2008 年的某食品廠房，位于河南省駐馬店市，廠房建筑層數(shù)為地上一層，局部有一層地下室及地上一層夾層，廠房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。由于更換業(yè)主，車間生產(chǎn)線所需的生產(chǎn)設(shè)備不同，并且樓面處要設(shè)置位置不確定的排水溝，因此樓面恒、活荷載分別從1.2 kN/m2、10 kN/m2（均為標(biāo)準(zhǔn)值，不包括樓板自重）增加為4 kN/m2、12 kN/m2。根據(jù)房屋安全鑒定報(bào)告，梁、板、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C30 降為C25，其余構(gòu)件混凝土強(qiáng)度及所有構(gòu)件的鋼筋強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)要求。經(jīng)PKPM 軟件模擬計(jì)算，建筑物整體指標(biāo)滿足規(guī)范要求，但很多構(gòu)件設(shè)計(jì)承載力不滿足要求，需要進(jìn)行加固。本研究主要就鋼筋混凝土梁的加固設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，工程加固主要應(yīng)用PKPM 系列軟件中結(jié)構(gòu)、鑒定加固這兩個(gè)部分。

2 梁加固方案初步分析

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367—2013）［5］（簡(jiǎn)稱“加固規(guī)范”），梁加固可采用增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片—聚合物砂漿面層加固法等方法。

該工程由于需要盡快投產(chǎn)使用，計(jì)劃工期為35 d，現(xiàn)場(chǎng)常駐工人為15 人，工期緊，而且對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的造價(jià)控制嚴(yán)格。根據(jù)PKPM 計(jì)算結(jié)果，本工程需要加固的梁量大面廣，粘貼碳纖維布加固法、粘貼鋼板加固法施工簡(jiǎn)單、工期短，對(duì)主體結(jié)構(gòu)不造成破壞，但承載力的提高有40%的限制；外包型鋼加固法施工簡(jiǎn)單、工期短，而且可以大幅度提高承載力，但是加固費(fèi)用較高；增大截面加固法施工工藝簡(jiǎn)單、受力可靠、加固費(fèi)用低廉，但濕作業(yè)工作量大、養(yǎng)護(hù)期長(zhǎng)，構(gòu)件尺寸的增大可能影響使用功能，承載力的提高沒有40%的限制。綜合考慮PKPM 軟件計(jì)算結(jié)果、建設(shè)方的需求、工程的整體情況及當(dāng)?shù)厥┕に?，初步確定承載力提高低于40%的梁采用粘貼碳纖維布加固法或粘貼鋼板加固法進(jìn)行加固，承載力提高大于40%時(shí)根據(jù)工程量的多少可以采用增大截面加固法或外包型鋼加固法。

3 梁加固方案優(yōu)選分析

在總結(jié)已有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，采用價(jià)值工程的方法，構(gòu)建考慮安全性、適用性、時(shí)間性、經(jīng)濟(jì)性、可行性綜合因素的價(jià)值模型，對(duì)鋼筋混凝土梁加固法進(jìn)行比較分析，確定鋼筋混凝土梁最優(yōu)加固方案。在該工程中引入價(jià)值工程模型，旨在對(duì)多種加固方案進(jìn)行安全性、適用性、時(shí)間性、經(jīng)濟(jì)性、可行性的綜合分析［6-7］，在價(jià)值和成本之間尋求最佳平衡點(diǎn)，選出最適合建設(shè)方需求的最優(yōu)加固方案。

價(jià)值工程的公式為V=F/C，其中：F為加固方案的功能評(píng)價(jià)系數(shù)，即反映工程安全性、適用性、時(shí)間性、可行性優(yōu)劣程度的系數(shù)，對(duì)于本工程再增加一項(xiàng)耐久性的要求；C為成本系數(shù)，即反映工程經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣程度的系數(shù)；V為加固方案的功能價(jià)值系數(shù)［8］。與建設(shè)方進(jìn)行充分溝通后，在了解、尊重建設(shè)方具體需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)工程實(shí)際情況，聽取建設(shè)方聘請(qǐng)的多位行業(yè)專家的意見，確定了本工程各功能目標(biāo)所占比重，具體見表1。

表1 本工程各功能目標(biāo)所占比重

本研究以右單元1.300 m 標(biāo)高處?軸～?軸交C 軸下方3 m 處的連續(xù)梁L12 為例進(jìn)行分析，原設(shè)計(jì)中L12 配筋圖如圖1 所示，L12 在原荷載及現(xiàn)荷載作用下梁的內(nèi)力見表2。

圖1 標(biāo)高1.300處L12配筋圖

表2 原荷載（現(xiàn)荷載）作用下梁（L12）的內(nèi)力

3.1 梁加固設(shè)計(jì)計(jì)算分析

3.1.1 以L12 第一跨右支座為例進(jìn)行分析。根據(jù)圖1 及表2，第一跨右支座原荷載作用下彎矩M0=-170 kN·m，支座配筋現(xiàn)荷載作用下彎矩M=-329 kN·m，PKPM 計(jì)算所需配筋A(yù)s= 2 320 mm2，現(xiàn)有配筋不滿足計(jì)算要求，需要進(jìn)行加固。僅對(duì)比截面上所受到的彎矩，現(xiàn)荷載作用下的彎矩M是原荷載作用下的彎矩M0的1.94 倍，受彎承載力提高幅度超過40%的要求，按正常配筋不能采取粘貼碳纖維布加固法。但此處原設(shè)計(jì)配筋過于保守，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）（簡(jiǎn)稱“混規(guī)”）中條文6.2.10，按混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，梁截面b×h=250×600，計(jì)算原配筋下梁正截面受彎承載力為-300 kN·m。梁正截面受彎承載力從-300 kN·m提高至-329 kN·m，提高幅度為9.7%，不超過40%，因此L12第一跨右支座處可以采用粘貼碳纖維布加固法或粘貼鋼板加固法進(jìn)行梁的加固。

3.1.2 以L12 第三跨梁底部為例進(jìn)行分析。L12 第三跨梁底部在原荷載作用下的彎矩M0=352 kN·m，梁底配筋，梁頂配筋根據(jù)《混規(guī)》，按混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，T形梁（b×h×b'f×h'f=250 mm×600 mm×2 667 mm×120 mm）進(jìn)行計(jì)算，原配筋下梁正截面受彎承載力為301 kN·m。原配筋不滿足原設(shè)計(jì)中梁受彎正截面承載力的計(jì)算要求，此處配筋略顯不足?，F(xiàn)荷載作用下彎矩M=525 kN·m，現(xiàn)有配筋不滿足計(jì)算要求，需要進(jìn)行加固。且梁正截面受彎承載力從301 kN·m提高至525 kN·m，提高幅度為74%，不可以采用粘貼碳纖維布加固法或粘貼鋼板加固法進(jìn)行梁的加固，因此L12第三跨梁底部可以采用增大截面法加固法或外包型鋼加固法進(jìn)行加固。

3.2 梁加固方案分析——受彎承載力提高幅度不超過40%

3.2.1 粘貼碳纖維布加固法（L12 第一跨右支座）。根據(jù)《加固規(guī)范》中條文10.2.3，梁正截面承載力按式（1）、式（2）、式（3）確定。

由于工程施工時(shí)完全移除了樓面所有設(shè)備，樓面是全部清空的，除了施工荷載沒有其余活荷載，樓面原有面層還進(jìn)行了部分破除，施工時(shí)大跨梁適當(dāng)增加了支撐。綜合考慮以上有利因素，梁正截面加固計(jì)算時(shí)不再考慮二次受力的影響，取εf0= 0。

將M=-329 kN·m、As0=2 016 mm2代入式（1），計(jì)算如下ζb，fh=0.85ζbh=248.64 mm＜272 mm，不滿足要求。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》條文10.2.2 及條文說明，規(guī)定梁相對(duì)界限受壓區(qū)高度的最大界限是避免因加固量過大而導(dǎo)致超筋性質(zhì)的脆性破壞。在PKPM 計(jì)算中，無論梁支座還是梁底配筋均按單筋梁受彎截面進(jìn)行計(jì)算，軟件中“分析和設(shè)計(jì)參數(shù)補(bǔ)充定義-基本信息”所含選項(xiàng)“框架梁端配筋考慮受壓鋼筋”，勾選后僅表示在校核梁端受壓區(qū)高度不滿足要求時(shí)考慮受壓鋼筋的作用，梁正截面受彎承載力計(jì)算時(shí)不考慮受壓鋼筋的作用，均按單筋梁進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果是偏于保守的。

由于按單筋梁計(jì)算不滿足要求，實(shí)際梁配筋為雙筋梁。將M=-329 kN·m、As0=2 016 mm2、As0'=代入式（1），計(jì)算如下：x=40 mm，將x=40 mm（x＜ξb，fh）代入式（3），求得ψf=3.63（ψf＞1.0），取ψf=1.0；應(yīng)用式（2），計(jì)算得出碳纖維布的有效截面面積Afe＜0，表明如果按雙筋梁計(jì)算正截面受彎承載力是滿足要求的，支座處不需要進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

由于理論和實(shí)際設(shè)計(jì)不一致，出于安全考慮，也為了和PKPM 的整體計(jì)算保持一致，L12 第一跨支座處梁的加固設(shè)計(jì)仍然按單筋梁進(jìn)行加固計(jì)算，但不再驗(yàn)算梁相對(duì)界限受壓區(qū)高度。因?yàn)閷?shí)際梁為雙筋梁，并配置了面積較大的受壓鋼筋（梁底鋼筋，因此不會(huì)出現(xiàn)因加固量過大而導(dǎo)致的超筋破壞。

混凝土受壓區(qū)高度仍取x=272 mm，但必須充分考慮碳纖維布的強(qiáng)度利用，取ψf=1.0代入式（2），計(jì)算得出碳纖維布的有效截面面積Afe=36 mm2。粘貼的碳纖維布采用兩層，需要考慮碳纖維布厚度折減，按《加固規(guī)范》條文10.2.4計(jì)算得出km=0.9，Afe=40 mm2。兩層碳纖維布厚度為0.334 mm，計(jì)算得出所需碳布寬度為120 mm，施工圖中碳布寬度為200 mm。

經(jīng)計(jì)算，除第一跨右支座外，L12 按實(shí)際配筋計(jì)算承載力后，第一跨、第二跨梁梁底部受彎承載力滿足規(guī)范提高幅度不超過40%的要求，均采用粘貼碳纖維布加固法進(jìn)行加固。

3.2.2 粘貼鋼板加固法（L12 第一跨右支座）。根據(jù)《加固規(guī)范》條文9.2.3，梁正截面承載力按式（4）、式（5）、式（6）確定。

僅在梁受拉面粘貼鋼板，實(shí)際梁配筋為雙筋梁，將M=-329 kN·m、As0=2016mm2、As0'=1520mm2代入式（1），計(jì)算得出x=27 mm，由于x=27 mm＜2a'，取x=2a'=90 mm。

如果選用Q235B鋼板，不考慮二次受力影響，根據(jù)式（3），計(jì)算得出ψsp=13.7＞1.0，取ψsp=1.0。

根據(jù)（2），計(jì)算得出Asp=415 mm2，選用鋼板150 mm（寬）×3 mm（厚），最終面積為450 mm2，滿足計(jì)算要求。

3.3 梁加固設(shè)計(jì)方案比選——粘貼碳纖維布加固法與粘貼鋼板加固法

3.3.1 確定功能評(píng)價(jià)系數(shù)F。設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理公司相關(guān)技術(shù)人員及外聘專家對(duì)不同梁加固方案的打分見表3、表4。不同加固方案的功能評(píng)價(jià)系數(shù)F見表5。

表3 梁粘貼碳纖維布加固法評(píng)分

表4 梁粘貼鋼板加固法評(píng)分

表5 梁兩種加固方案的功能評(píng)價(jià)系數(shù)值

3.3.2 確定成本系數(shù)C。梁支座處粘貼碳纖維布及粘貼鋼板的框架柱兩側(cè)的總長(zhǎng)度為5 300 mm。梁粘貼碳纖維布加固法所用主要建筑材料為：兩層碳纖維布，寬度為200 mm；A 級(jí)結(jié)構(gòu)膠黏劑。分析計(jì)算用料如下：碳纖維布2.2 m2，考慮構(gòu)造及損耗共2.8 m2；工程加固使用A 級(jí)膠2.5 kg。梁粘貼鋼板加固法所用主要建筑材料為：Q235B 鋼板、螺栓、A 級(jí)結(jié)構(gòu)膠粘劑。分析計(jì)算用料如下：鋼板用量2 400 cm3，考慮螺栓、構(gòu)造及損耗共2 880 cm3，共0.023 t；工程加固使用A 級(jí)膠3.0 kg。梁支座兩種加固方案成本費(fèi)用分析見表6。

表6 梁支座兩種加固方案成本費(fèi)用分析

3.3.3 確定梁加固方案。經(jīng)過梁加固設(shè)計(jì)方案比選，計(jì)算出兩種加固方案的功能評(píng)價(jià)系數(shù)F及成本系數(shù)C，根據(jù)價(jià)值工程計(jì)算公式V=F/C可以得出不同加固方案的價(jià)值系數(shù)V。具體計(jì)算過程如下：粘貼碳纖維布加固法，F(xiàn)1=0.51，C1=0.33，V1=F1/C1=1.55；粘貼鋼板加固法，F(xiàn)2=0.49，C2=0.67，V2=F2/C2=0.73。經(jīng)計(jì)算得出V1＞V2，表示梁加固采用粘貼碳纖維布加固法比采用粘貼鋼板加固法要符合建設(shè)方的要求，工期短且經(jīng)濟(jì)合理。經(jīng)計(jì)算，除第一跨右支座外，L12 按實(shí)際配筋計(jì)算承載力后，第一跨、第二跨梁梁底部受彎承載力均滿足規(guī)范提高幅度不超過40%的要求，均采用粘貼碳纖維布加固法進(jìn)行加固。

3.4 梁加固方案分析——受彎承載力提高幅度超過40%

對(duì)L12 第三跨梁底，采用增大截面加固法進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。根據(jù)《加固規(guī)范》條文5.2.3，梁正截面承載力按式（7）、式（8）、式（9）確定。

根據(jù)圖1 及表2，L12 第三跨梁底部在原荷載作用下的彎矩M0=35 2 kN·m，梁底配筋A(yù)s0=1 520 mm2，梁頂配筋A(yù)s0'=628 mm2。根據(jù)《混規(guī)》條文6.2.18，按混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，T形梁（b×h×b'f×h'f=250 mm×600 mm×2 667 mm×120 mm）進(jìn)行計(jì)算，原配筋下梁正截面受彎承載力為301 kN·m。原配筋不滿足原設(shè)計(jì)中梁受彎正截面承載力的計(jì)算要求，此處配筋略顯不足?，F(xiàn)荷載作用下彎矩M=525 kN·m，現(xiàn)有配筋不滿足計(jì)算要求，需要進(jìn)行加固。且梁正截面受彎承載力從301 kN·m 提高至525 kN·m，提高幅度為74%，不可以采用粘貼碳纖維布加固法進(jìn)行梁的加固，需要采用增大截面法進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

經(jīng)PKPM 計(jì)算，該工程僅個(gè)別梁受彎承載力提高幅度超過40%，工程量很少。外包型鋼加固法對(duì)結(jié)構(gòu)受損影響較大，梁增大截面加固可以與地下室的新增剪力墻同時(shí)施工，不影響工期。因此，此處梁加固不再進(jìn)行外包型鋼加固法的比較計(jì)算，最終采用增大截面加固法。

4 結(jié)論

通過該工程鋼筋混凝土梁正截面的加固設(shè)計(jì)研究得出以下結(jié)論。

①該工程梁正截面的最優(yōu)加固方案如下：承載力提高低于40%的梁采用粘貼碳纖維布加固法，承載力提高大于40%時(shí)采用增大截面加固法、混合加固法。

②梁加固設(shè)計(jì)時(shí)，校核梁加固前的受彎承載力必須用實(shí)配鋼筋進(jìn)行計(jì)算，需要考慮實(shí)際配筋與計(jì)算配筋的差異，以及原設(shè)計(jì)圖紙中的錯(cuò)漏之處，因此不能直接采用加固前后荷載作用下PKPM 計(jì)算出的梁彎矩進(jìn)行校核。

③PKPM 中梁的配筋計(jì)算均按單筋梁進(jìn)行正截面受彎承載力計(jì)算，梁的實(shí)際配筋一般均為雙筋梁，采用PKPM 軟件計(jì)算區(qū)分出的需要加固的梁偏于保守，一部分梁按雙筋梁進(jìn)行計(jì)算甚至不用進(jìn)行加固，都能滿足現(xiàn)荷載作用下的承載力要求，因此加固計(jì)算中應(yīng)適當(dāng)考慮理論計(jì)算與實(shí)際設(shè)計(jì)的差異。