钢筋混凝土梁加固方法研究

柯昌君，朱淳钊

（长江大学城市建设学院，湖北 荆州434023）

建筑物随着使用年限的增加，受到多重因素影响，如各类灾害影响、环境侵蚀、结构功能改变及设计不良或施工失误等，其结构和构件的性能已不能继续满足功能要求，因而需要进行必要的结构补强加固，使其重新恢复使用功能。因此，对钢筋混凝土梁加固方法的研究具有重要意义。下面，笔者对钢筋混凝土梁的传统加固方法以及纤维增强复合材料（FRP）加固方法的研究情况进行概述，以便为钢筋混凝土梁的加固提供参考。

1 常用传统加固方法

钢筋混凝土梁补强加固方法很多，应根据结构或构件可靠性鉴定结果、结构功能降低及加固的状态（即完好情况下的加固还是受损状态下的加固），并结合构件的特点，按加固效果可靠、施工简便、经济合理的原则进行综合分析后确定［1］。当遇到静力加固时必须考虑构件的二次受力问题，加固重点应该侧重于构件承载力的提高，若是抗震加固则不必考虑结构二次受力，加固重点侧重于结构的延性和整体性。

对于钢筋混凝土梁的加固主要分为2个方面，一是对已受损钢筋混凝土梁的加固，使其恢复原有承载力或超过原有承载力，另外是对完好无损的钢筋混凝土结构梁的加固，使其提高承载力，从而满足新的功能要求。目前常用的传统加固方法包括加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、预应力加固法、增设支点加固法和托梁拔柱加固法等。

1.1 加大截面法

加大截面法即采取增大钢筋混凝土梁的截面面积、增强构件的刚度、提高其承载力以满足正常使用的一种加固方法，其主要做法是增加原构件的受力钢筋，并同时在外侧重新浇筑混凝土，以此来增加截面尺寸并达到提高承载力，可广泛应用于钢筋混凝土结构的梁、板、柱等构件和一般构筑物的加固。金国芳等［2］利用加大截面法对4个十字形钢筋混凝土框架节点试件进行加固，不仅提高了节点的开裂荷载、刚度、屈服荷载和极限荷载，还提高其耗能能力和延性，同时使得框架由 “强梁弱柱弱节点”变成“强柱强节点弱梁”。加大截面法的工程现场应用照片如图1所示。

图1 加大截面法应用现场照片

1.2 外包钢加固法

外包钢加固法是用化学材料（如乳胶水泥、环氧树脂等）灌浆或焊接等方法对梁四周外包的型钢进行加固的方法。Roberts T M等［3］对用钢板加固的钢筋混凝土梁的受力特性进行了理论分析，认为该方法主要通过约束原构件来提高其承载能力和变形能力，能大幅度提高构件的抗压和抗弯性能。外包钢加固法现场应用照片如图2所示。

图2 外包钢加固法应用现场照片

1.3 粘钢加固法

粘钢加固是在钢筋混凝土梁表面用特制的建筑结构胶粘结钢板，以提高结构承载力和变形能力的一种加固方法。李文盛［4］对10根钢筋混凝土梁进行粘钢加固试验，结果表明，钢板与原梁一起参与受弯作用，改善了混凝土的抗拉性能，阻止并限制了混凝土中裂缝的发展，提高了钢筋混凝土梁的极限抗弯承载力，同时提高了原有梁的开裂弯矩及构件刚度，增加其抵抗变形的能力。粘钢加固法现场应用照片如图3所示。

图3 粘钢加固法应用现场照片

1.4 预应力加固法

预应力加固法是通过预应力钢筋对梁施加预应力，以承担构件所承受的部分荷载，从而达到提高构件承载力的方法，通常做法是采用外加预应力钢拉杆或钢撑杆，这样可以改变原结构构件的内力分布并降低应力水平，消除在加固结构构件过程中所特有的应力应变滞后现象。张继文等［5］通过对10根简支梁开展了预应力加固试验研究，认为预应力加固法是一种 “能动”的有效加固法，即在施工阶段预加应力时就开始起补强加固作用，从而克服了其他加固法普遍存在的应力滞后问题。此外，使用该方法不但能提高加固梁的承载力，而且能改善其使用性能，且正截面和斜截面的承载力均有一定提高。预应力加固法现场应用照片如图4所示。

图4 预应力加固法应用现场照片

1.5 增设支点加固法

增设支点加固法是通过在梁上增设支点或支撑构件来减小梁的计算跨度，以达到减少作用在被加固梁上的荷载效应，同时又提高结构承载力水平的加固方法。根据支承构件的变形性能，该方法分为刚性支点法和弹性支点法。刚性支点法是通过支承构件的轴心受压或轴心受拉将荷载直接传给基础或柱子的一种加固方法，弹性支点法是以支承构件的受弯或桁架作用间接传递荷载的一种加固方法。相对而言，刚性支点法对结构承载能力提高影响较大，弹性支点法对结构使用空间影响较小。王恒华等［6］通过对某商场楼盖体系的加固设计，运用增设支点加固方法，改变了楼面荷载的传递路径，增大了楼盖整体刚度，有效控制了楼盖的挠曲变形。

1.6 托梁拔柱加固法

托梁拔柱加固法即是在不拆或者少拆上部结构的情况下，拆除、更换、接长柱子或拆除墙体的一种综合性技术。常见的有托屋架拔柱、托梁拆墙及托梁拔柱等。赵峰等［7］在某办公楼中加固施工中通过增设钢梁，采用钢筋将原有混凝土梁与新增钢梁连为一体，从而形成钢－混凝土组合结构受力，取得了较好的应用效果。

2 FRP加固方法

根据纤维种类的不同，FRP材料分为玻璃纤维（GFRP）、碳纤维（CFRP）、芳纶纤维（AFRP）和玄武岩纤维（BFRP）等类型。FRP材料因具有良好的比强度、比刚度、无腐蚀性、较好的耐热性、施工便捷等优点，同时又不增加构件自重和体积，使得该材料广泛应用于钢筋混凝土梁结构加固中。FRP加固钢筋混凝土梁是通过将FRP材料通过胶粘剂粘贴于梁构件表面作为梁的受拉部分或者包裹梁以环向约束的形式提高混凝土梁构件的抗力。FRP加固方法与传统加固方法相比，其具有如下优势：施工便捷、适用面广；加固后不增加构件尺寸且可设计性强；破损安全性好；抗腐蚀性及耐久性好；阻尼减震性好。FRP加固方法可分为非预应力FRP加固和预应力FRP加固。

2.1 非预应力FRP加固方法

非预应力FRP加固方法是将FRP材料通过胶粘剂直接粘贴在钢筋混凝土梁上，其中最为突出的问题是对高强高性能FRP材料的利用率非常低，FRP高强度的特点仅在梁中主筋屈服后才充分发挥出来，而在主筋屈服前，FRP所起的作用有限。因此，它对提高被加固梁的开裂荷载及屈服荷载作用不是十分明显，对钢筋混凝土梁在正常使用阶段的性能的改善也有限，其不足之处主要表现在加固利用率低、对梁的刚度等性能提高小、加固效果受梁构件的外观质量及胶粘剂性能的影响较大。

吴刚等［8］对用CFRP材料加固钢筋混凝土梁进行了抗弯试验研究，结果表明，采用上述方法对少筋梁的加固效果明显，试验研究表明，贴1层CFRP材料加固后梁的极限承载力提高143%，贴3层CFRP材料加固后梁的极限承载力提高233%以上，提高程度与CFRP材料的粘贴层数呈非线性关系，CFRP加固对梁的刚度提高作用很小。

在GFRP材料加固钢筋混凝土梁研究方面，王文炜［9］利用GFRP材料对19根钢筋混凝土梁进行加固，试验结果表明，经GFRP材料加固的钢筋混凝土梁抗弯承载力提高较多，加固效果明显；混凝土强度、配筋率、加固量、梁剪跨区或梁端有无锚固条对抗弯承载力有显著影响；加固量、剪跨比、锚固条、粘贴长度对钢筋混凝土梁的破坏形态也有影响。

黄丽华等［10］对钢筋混凝土梁分别粘贴GFRP、CFRP以及BFRP材料进行加固，研究发现，粘贴不同纤维材料将产生不同破坏类型，其中CFRP材料加固的钢筋混凝土梁的承载力和延性提高最大，而用BFRP材料加固的性价比最优。此外，初始损伤对加固效果影响不大。

张慎伟等［11］利用AFRP材料加固钢筋混凝土梁进行抗弯性能静载试验，分析了试验梁的破坏过程、破坏特征、受力特点及影响因素（粘贴层数和配筋率），结果表明，粘贴AFRP材料可以明显增加钢筋混凝土梁的抗弯刚度，有效提高钢筋混凝土梁的抗弯承载能力和构件的延性。魏凝［12］利用AFRP材料加固13根钢筋混凝土梁进行抗弯性能试验，结果表明，钢筋混凝土梁的极限承载力明显提高，且随粘贴AFRP材料层数的增加而增加，但提高程度与加固层数呈非线性关系。此外，在AFRP材料粘贴层数相同时，被加固梁的配筋率越低，其加固效果越明显。

2.2 预应力FRP加固方法

与非预应力FRP加固方法相比较，预应力FRP加固方法表现出更好的应用效果。首先，利用该方法能够重新调整原梁内力状态及其应力水平，实现对梁受拉钢筋的卸荷，部分或全部恢复梁变形，闭合裂缝。其次，利用该技术能够较大程度地减少FRP材料的应力滞后现象，充分发挥出FRP高强材料的加固效果。此外，从预应力施加情况中能直观反映出加固效果。目前对预应力FRP加固梁的受力性能已进行了大量试验研究，研究内容涉及构件的抗弯、抗剪、抗压、抗震的性能和粘贴方式、锚固技术、粘贴材料、耐久性等方面。

亓涛［13］进行了CFRP加固钢筋混凝土梁抗弯性能的试验，研究分析了CFRP初始预应变和加固量对梁受力性能的影响。结果表明，采用CFRP加固方法显著提高了钢筋混凝土梁的承载力，延缓了裂缝的发展速度，且相同荷载下加固梁的挠度明显小于未加固梁。程东辉等［14］研究了持荷状态下CFRP加固钢筋混凝土梁弯剪区段的性能，试验结果表明，持荷状态下CFRP加固钢筋混凝土梁斜截面能够抑制裂缝的产生和发展，从而提高斜截面受剪承载力。

杜修力等［15］研究了非预应力AFRP和预应力AFRP加固钢筋混凝土梁的效果，结果表明，非预应力FRP加固的试验梁相较未加固的基准梁，其开裂弯矩、屈服弯矩和极限弯矩均有小幅提高；而预应力AFRP加固法相对非预应力AFRP加固法，其开裂荷载显著提高，屈服荷载与极限荷载明显提高，从而显著提高了钢筋混凝土梁的抗弯性能。

谢建和等［16］探讨了加固梁中FRP与混凝土之间界面疲劳裂纹的扩展规律。研究发现，与无预应力FRP加固梁相比，预应力FRP加固梁界面裂纹应力强度因子明显偏大。吴栋等［17］利用嵌入式CFPR筋和外贴CFPR／BFRP混杂布加固钢筋混凝土梁进行试验，结果表明，与无预应力加固方法相比，利用上述能够进一步提升钢筋混凝土梁的开裂荷载和屈服荷载，由此提高其服役性能。

张建伟等［18］研究低周反复荷载作用下不同预应力种类和预应力度对钢筋混凝土梁抗震性能的影响。试验结果表明，预应力度是影响梁抗震性能的主要因素，具体表现如下：钢筋混凝土梁抗震性能随预应力度的增加而逐渐降低；在同等预应力度的条件下，无粘结预应力FRP筋混凝土梁的耗能能力最强，从而更加有利于建筑结构抗震。

3 结语

随着科学技术的进步，建筑加固修复材料更加轻质高强，同时钢筋混凝土梁加固方法更加成熟，尤其是预应力FRP加固方法可以充分利用FRP的高强度性能，改变了钢筋混凝土梁的破坏模式并显著提高其极限承载力，能够满足钢筋混凝土梁正常使用极限状态的要求，因而具有广阔的应用前景。今后，需要在粘结界面的剥离破坏机理、合理有效的锚固方法、胶粘剂（结构胶）的性能等方面进一步加强研究，以便使钢筋混凝土梁加固方法更加完善。

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