钢筋混凝土梁加固方法及分析

刘相

(辽东学院城市建设学院，辽宁丹东118003)

在实际工程中，常常因为设计不周、施工质量差、施工现场管理不善等原因，导致钢筋混凝土梁等受弯构件承载力不足，引起承载力不足的原因还有火灾使钢筋混凝土梁的混凝土及钢筋强度降低，或者由于改变结构的使用功能而使梁承受的荷载增加等等。当出现这些情况时，需对钢筋混凝土梁进行加固。钢筋混凝土梁的加固方式有很多，而常用的传统加固方式有增大截面法、粘结钢板法等。近年来随着碳纤维布材料在土木工程中的应用和发展，出现了粘碳纤维布加固法和复合加固等新型加固方法，本文主要对这几种加固方式的特点及设计方法进行分析。

1 传统加固方法

1.1 增大截面加固法

增大截面加固法是指在构件的上面或下面浇一层新混凝土和补加相应的钢筋，以提高构件的承载力，此方法较直观。在构件的受压区补浇混凝土时，可以有效地增加构件的有效高度，从而提高构件的抗弯、抗剪承载力，增大构件的刚度;在受拉区补浇混凝土，可对补浇的钢筋起到粘结和保护作用。

1.1.1 新旧混凝土各自独立工作(受压区补浇混凝土)

由于后浇层与原构件之间结合面未能很好地处理，新旧混凝土粘结强度不够，此时，构件受力后，不能保证其变形符合受弯平截面假定，而只能将新旧混凝土视为各自独立工作考虑，承担的弯矩按新旧混凝土截面刚度进行分配。

式中:hx为新混凝土高度;hj为旧混凝土高度。Mx为新混凝土承担的弯矩;Mj为旧混凝土承担的弯矩;Kx为新混凝土的截面刚度;Kj为旧混凝土的截面刚度;Mz为构件承担的总弯矩。

1.1.2 新旧混凝土整体工作(受压区补浇混凝土)

新旧混凝土独立工作时，其承载力较低，因此对构件加固，应尽量使新旧混凝土共同工作，而要保证新旧混凝土共同工作，则新旧混凝土结合面可采取以下措施:⑴将原构件顶面凿毛、洗净，并隔一定间距凿一凹槽，以便二次浇筑混凝土时形成剪力键。⑵将原构件表面凿毛、洗清后，涂上一层粘结力强的浆液(如丙乳胶水泥浆，107胶聚合水泥浆)，同时浇筑新混凝土。⑶在后浇层中加配箍筋及架立筋，并设法与原构件中的钢筋连接或锚入原构件混凝土中。⑷由于在加固前，构件已承受弯矩，而后浇之叠合层，只承担后加荷载，因此，叠合层的混凝土应力较原混凝土滞后，而钢筋的应力超前，根据规范规定，叠合构件的计算与混凝土整浇梁采用相同的正截面承载力计算方法。但是叠合构件的原受拉钢筋应力σs=σs1+σs2≤0.9 fy，式中，σs1为后浇混凝土参与工作之前在原弯矩M1作用下原钢筋应力，σs1=M1/(AS×η1×h0);σs2为后浇混凝土参与工作之后在新增弯矩M2作用下原钢筋新增加的应力，σs2=M2×(1－β)/(AS×η2×h0);η1、η2为裂缝截面的内力臂系数，可取0.87;AS为受拉钢筋的面积。

1.1.3 受拉区增厚并增加钢筋

在梁底面增加混凝土厚度的主要目的在于增加受拉钢筋，通常是紧贴原梁底增加受拉钢筋，将增加受拉筋与原主筋联结。为了增大内力偶力臂，也可在受拉区增厚混凝土，这时增加的拉筋可通过附加弯起筋与原主筋焊接。当受拉区厚度较大时，还应增加U形箍筋，并与原结构联结牢固。在受拉区增加钢筋加固的构件可按一般受弯构件计算，其计算公式:

其中εbh02≤x≤2as'

1.2 粘结钢板加固法

粘结钢板法通常用于加固受弯构件，只要粘结材料质量可靠，施工质量良好，则当截面达到极限状态时，粘结在梁受拉边的钢板可以达到屈服强度，但必须保证钢板在拉断之前不发生脱胶等粘结破坏现象，即外部粘结加固钢板的锚固至关重要。其截面承载力可按下式进行计算:

式中，fy为原纵向钢筋抗拉强度设计值，fy'为原纵向钢筋抗压强度设计值，As为原构件纵向受拉钢筋截面积，As'为原构件纵向受压钢筋截面积，fay为加固钢板抗拉强度设计值，Aa为加固钢板截面积，0.9为考虑加固钢板应力滞后等不利因素的折减系数，x为混凝土受压区高度，b为原构件截面宽度，h01为加固后截面的有效高度。

2 碳纤维布加固法

碳纤维布加固受弯构件通常是在梁底面粘贴CFRP板，在粘贴CFRP板之前，首先应将梁底粘贴区域进行表面处理。适当的表面处理的目的在于去除混凝土表面的薄弱层，露出坚实的混凝土层并打磨平整，以保证混凝土与CFRP间粘结可靠。为了防止CFRP板端部的剥离，可以采取附加锚固措施。常见的做法将CFRP U形箍粘贴或用螺栓锚固于端部，用于端部锚固的附加CFRP条带既可以缠绕整个梁截面，也可以只覆盖梁高的一部分。其计算公式:

式中，Acf为受拉面粘贴的碳纤维片材截面面积，fcf为碳纤维布的抗拉设计强度。对于fcf的值可取其达到允许极限应变时的应力值，即

3 工程算例

一框架梁净跨6.3 m，混凝土强度等级C35，钢筋Ⅱ级，截面b×h=400 mm×800 mm，梁跨中原设计弯矩为M=355 kN·m，受拉主筋4φ22，As=1 520 mm2，受压钢筋为4φ20，As'=1 256 mm2。现房屋用途有改变，需承担弯矩M=470 kN·m。试选择加固方案。

方案一:在框架梁受拉区增加混凝土厚度为60 mm，采用C35。经计算需增加的受拉钢筋As=504.67 mm2，选用2φ18即可。

方案二:在框架梁底面粘结Q235钢板，厚度5 mm，经计算钢板Aa=729.54 mm2，此时宽度145.9 mm，选用钢板宽150 mm。

方案三:在框架梁底面粘结碳纤维布，经计算Acf=80.41 mm2，选用两层碳纤维布，宽度与梁等宽，厚度0.222 mm。

从以上三个方案可以看出，在达到相同承载力的时候，碳纤维布加固法所用的加固材料最少，且厚度最小。

4 结论

(1)加大截面法对承载力提高较多。但是对构件自重增加较大，降低建筑空间的高度且施工较复杂。粘结钢板法可以较大程度提高承载力。但钢板潜力难于发挥，不好粘贴，且钢板防腐处理也较难。碳纤维布加固法是一项新型高效的加固补强技术，具有明显的高强、高效、施工便捷、适用面广等优点，缺点是价格比较贵。

(2)对受弯构件进行加固设计需考虑加固材料与原构件共同作用问题，若加固材料不能达到其强度限制，需考虑一定的折减。

(3)加大截面法、粘结钢板法等传统的加固方法与碳纤维布加固法都要考虑加固材料(如钢筋、钢板与碳纤维布)能有效的锚固在其原构件上。

［1］梁兴文．混凝土结构设计原理［M］．北京:中国建筑工业出版社，2008

［2］赵彤，谢剑．碳纤维布补强加固混凝土结构新技术［M］．天津大学出版社，2001

［3］江见鲸，王元清，龚晓南，等．建筑工程事故分析与处理［M］．北京:中国建筑工业出版社，2006:184－210

［4］CFCS25:90混凝土结构加固技术规范［S］

［5］张立人．建筑结构检测、鉴定与加固［M］．北京:中国建筑工业出版社，1999