组合加固混凝土悬挑梁力学性能研究

罗永成， 谯旭东， 郭 川， 吴 兵， 杨健兵

(成都基准方中建筑设计有限公司， 成都 610031)

0 概述

建筑功能发生变化时，构件可能不满足安全性、适用性和耐久性的基本要求。因此需要对结构进行补强或加固，使其可靠度得到保证。目前针对混凝土结构的加固方法主要有增大截面法、外包钢加固法、预应力加固法及碳纤维加固法等[1]。

戴俊伟[2]对4组采用增大截面加固后的混凝土梁进行静力加载试验，试验结果表明，增大截面法是一种有效的加固方法，处理后的新、旧混凝土结合面协同变形能力较好，不会发生滑移。黄建锋[3]对采用增大截面加固后的混凝土框架进行了低周往复加载试验，结果表明，加固后框架的承载力、延性及耗能性能均有一定程度的提高。

陈轩[4]对外包钢加固钢筋混凝土梁承载能力和破坏模式进行了较为系统深入的研究，结果表明，加固前后梁的破坏模式相同，均为角钢屈服导致的弯曲破坏；加固后梁的极限承载力和初始刚度显著提高。徐铨彪[5]运用有限元软件对外包钢加固法行分析，结果表明，通过外包钢加固后，梁的承载力和延性均明显提高。

张继文[6]对10组预应力加固后的混凝土简支梁进行试验研究，分析了预应力加固对梁正截面及斜截面承载力的提升情况。结果表明，采用预应力加固后，梁的正截面承载力和斜截面承载力都有一定程度提高，控制预应力的大小可调整提高比例。李忠献[7]针对碳纤维加固法，推导了弯、剪、扭复合受力下梁加固后承载力的计算公式。方超[8]通过试验证明，型钢加固法可提高混凝土梁的抗弯承载力，构件支座处混凝土受拉、钢梁受压，是组合梁设计的控制截面。唐煜[9]对碳纤维加固、预应力加固以及组合加固后的6组构件进行了静力加载试验，结果表明，组合加固法可有效提高混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和抗弯刚度。韩大江[10]采用角钢+钢板带的方式加固混凝土柱，采用下翼缘板下方焊接T形加固件的方式加固吊车梁，结果表明，加固后的构件承载力和安全性均满足要求，且加固施工过程未影响正常生产。

不同的加固方法已广泛应用于工程。本文主要根据某加固项目，提出几种可行的加固方法，根据实际条件选取型钢支撑加固钢筋混凝土组合梁的组合加固方案，并对加固后的构件进行研究。

1 工程概况

某混凝土改造工程为42层框架-核心筒结构，结构总高度为163.9m，底部8层建筑功能为商业，层高均为6.0m；9～42层建筑功能为住宅，层高均为3.4m，标准层(9～42层)结构平面布置图如图1所示。设计抗震设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅱ类。

图1 标准层结构平面布置图

图2为3层中庭位置的结构布置图，该位置原混凝土梁悬挑长度为4.9m，与框架柱相连的悬挑梁截面尺寸为500mm×1 000mm。改造方案中要求将悬挑长度增加至10.0m。

图2 结构局部平面布置图(改造后)

2 方案比选

拆除原结构梁并重新设计、施工，周期较长且会造成浪费。中庭的框架柱均为型钢混凝土柱，新增梁在型钢混凝土柱上植筋时，植筋深度较难达到要求。根据此项目技术特点和工期要求，提出了增大截面、屋面吊挂、增设拉杆以及增设型钢支撑这几种加固方案。

2.1 增大截面加固方案

增大截面加固方案是直接增大原悬挑梁的截面，使其承载力满足要求，如图3所示。在原挑梁根部新增一定高度的混凝土现浇段，其长度略大于原挑梁。在新增梁端部进行竖向截面收进形成楔形以减轻自重。经过计算，梁高需增加0.65m，此种加固方案影响了商业净空，同时施工难度较大，梁端挠度也不能满足规范要求。

图3 梁增大截面方案局部立面布置图

2.2 屋面吊挂加固方案

屋面吊挂加固方案是通过高强拉杆将加长后的悬挑梁端部逐层连接，并最终吊挂于屋面相应位置的大型钢桁架上，如图4所示。屋面吊挂加固方案能控制挑梁的截面、配筋及挠度，但对屋面大型钢桁架要求较高。经过计算，钢桁架高度需达到3.0m才能满足刚度和承载力的要求。钢桁架对屋面下层空间的影响较大，施工也较为复杂。

图4 屋面吊挂方案局部立面布置图

2.3 增设拉杆加固方案

增设拉杆加固方案是通过高强拉杆将挑梁中部逐层斜拉于框架柱上，以减小悬挑梁的根部弯矩及配筋，如图5所示。增设拉杆加固方案能很好地控制梁的截面、配筋及挠度。新增挑出部分梁的纵筋可通过植筋植入原结构梁中。

图5 增设拉杆方案局部立面布置图

2.4 增设型钢支撑加固方案

增设拉杆加固方案对原结构损伤较小且施工方便，但上部受拉节点不易实现。因此将增设拉杆加固方案中的拉杆改为斜撑，在满足结构需求的同时，对建筑空间的影响也较小。

在YJK模型中将斜撑建入模型并进行计算，发现斜撑对该结构整体参数几乎没有影响，仅对悬挑附近的梁柱配筋影响明显。为研究增设型钢支撑方案对悬挑梁静力荷载作用下承载力的影响和节点的可靠程度，本文对增设型钢支撑后的节点进行静力分析。

3 结构分析及有限元验证

3.1 结构分析

经过计算并不断调整斜撑的截面和斜撑的角度，最终梁顶计算配筋值小于原设计配筋。充分利用原悬挑梁的钢筋，除加支撑外可不采取其他加固措施，极大地节约了成本及工期。此外，框架柱的配筋未明显增加，通过外包钢加固即可满足要求。

3.2 有限元模型

为验证斜撑(图6)分析结果的正确性，基于ABAQUS软件对节点进行模拟加载，分析节点混凝土及钢筋的塑性发展过程。型钢和混凝土采用实体单元模拟，钢筋采用T3D2单元(两结点线性三维桁架)模拟。钢筋与混凝土的相互作用设定为嵌入式约束，不考虑钢筋与混凝土之间的相对滑移。如图7所示，型钢端部与混凝土的相互作用假定为嵌入式约束，斜撑与牛腿通过绑定进行约束。型钢为Q355钢材，混凝土梁钢筋选用HRB400级钢筋，本构均采用双折线本构模型，弹性模量E=2.06×105N/mm2，屈服后模量Et=0.01E，泊松比μ=0.3。有限元模型只考虑斜撑的静力性能，钢材定义为各项同性并采用von Mises屈服准则。

图6 有限元模型

图7 型钢梁与混凝土梁嵌入连接示意

网格划分时主要考虑模型节点中主表面和从表面对网格的要求不同，对受力复杂的面进行网格细分。节点的边界条件为：约束图6中柱下端E的所有自由度；约束图6中A，B，C，D处的平动自由度。

3.3 结果分析

节点荷载达到设计荷载时，型钢及钢筋的von Mises应力如图8所示。由图8可以看出，与型钢连接处，梁底部纵筋的von Mises应力达到了300N/mm2，但未达到屈服强度。

图8 型钢及钢筋von Mises应力云图/(N/mm2)

设计荷载下型钢及钢筋的塑性应变如图9所示。可以看出，型钢处于弹性受力状态，与型钢相连接的混凝土梁下部纵筋部分进入塑性，但塑性应变较小，说明此方案中型钢的设计是偏于安全。

图9 型钢及钢筋塑性应变开展云图

图10给出了设计荷载下节点混凝土的受拉和受压损伤云图。可以看出，混凝土梁的受压损伤并不严重，梁根部上侧受拉损伤较为明显。

图10 混凝土损伤云图

对节点继续加载，混凝土受拉损伤的范围没有扩大，说明结构达到设计荷载时，混凝土梁支座可能会出现一定的受拉裂缝，但继续加载后裂缝不会继续扩展，具有较好的延性。

图11给出了设计荷载及1.2倍设计荷载下节点的塑性应变云图。由图11可以看出，在达到设计荷载时，混凝土梁根部上侧塑性应变较大；当达到1.2倍设计荷载时(图11(b))，混凝土梁根部上侧塑性应变逐渐加大，但节点的其他部分仍然处于弹性工作状态。综合判断该节点的加固方案是安全的。

图11 混凝土塑性应变云图

图12(a)为节点的荷载-位移曲线。由图12(a)可以看出，加载初期，节点端部的位移随着荷载增长呈近似线性增加，节点处于弹性受力状态；在荷载接近设计荷载时，曲线相应地出现了一定程度的波动，但并没有影响该节点继续承载的能力，此时节点的竖向位移如图12(b)所示；随着荷载继续增加至2.1倍设计荷载，荷载变化不大而位移迅速增加，说明节点达到了其极限承载能力，但此时其极限承载力已远大于设计荷载，说明节点具有足够的安全储备。

4 施工技术及技术难点

插入式型钢混凝土斜撑作为重要的支撑结构，对施工精度要求较高，施工时应当注意以下几点：1)斜撑与混凝土柱相连节点承受斜撑传递的竖向剪力，需严格控制柱表面的凿毛和植筋质量；2)原混凝土挑梁顶有3排负筋，导致型钢不易插入，施工较为困难。经过计算，型钢与混凝土梁相交部分保留第一排负筋及第二排角筋可满足计算要求；3)由于悬挑跨度较大，需要保证悬挑部分的舒适度，通过MIDAS Gen软件分析得到，结构自振频率及竖向加速度均满足规范要求。施工完成后，多人跳跃实测，未感觉明显振动。加固完成后节点实景照片如图13所示。

图13 加固完成后节点实景照片

5 结论

根据项目条件和结构受力特点，对本改造工程提出了几种可行的加固方案，对比各加固方案优缺点后最终选择了型钢支撑加固方案，并对采用型钢支撑加固方案后的节点进行静力性能分析。主要得出以下几点结论：

(1)确定加固方案时，应根据现场施工条件及施工周期选择合理的加固方案，经过加固改造后的结构应当具有足够的安全性和适用性。

(2)经过计算并不断调整型钢斜撑截面及角度，可使梁顶计算配筋值小于梁原有配筋值，此方法可充分利用原梁钢筋，极大地节约成本和工期。

(3)对加固后的节点进行有限元分析得出，节点达到设计荷载时，钢筋和型钢的塑性应变均较小，节点处于正常工作状态；继续加载，节点仍有足够的承载能力，说明节点具有足够的安全储备。

(4)采用型钢支撑加固方案加固钢筋混凝土梁，具有湿作业较少、施工周期短等优点，加固后的支撑刚度较大，能够使结构在悬挑加长后仍满足承载力及舒适度的相关要求，能较好地解决在原有悬挑梁的基础上实现再次大悬挑的问题，可以为类似工程提供参考。