倒U型箍新型加固梁的原理及应用

时间：2024-08-31

李国俊马天银周杰

摘要：本文分析了传统钢筋混凝土梁加固方法的不足，提出了倒U型螺杆加固钢筋混凝土梁的新型方法，可显著提高梁的承载力，且传力明确、工艺简单、施工方便。通过对倒U型螺杆新型加固方法在某办公楼中的应用介绍，可为类似工程的加固提供参考。

关键词：荷载增加;钢筋混凝土梁;倒U型螺杆;新型加固方法

Abstract： A new RC beam reinforcement method， inverted U-shaped screw member was proposed， considering the disadvantage of traditional of RC beams reinforcement methods. The flexural strength of RC beam was enhanced obviously with the help of inverted U-shaped screw member， and the new reinforcement method has many advantage， e.g.， clear force-transferring path， simple technology， convenient in construction， etc. A practical construction reinforcement by the new inverted U-shaped screw member introduced， which can provide references for similar project about design and construction.

Keywords： increasing load; RC beam， inverted U-shaped screw member; new reinforcement methods

混凝土结构存在因使用功能改变、结构荷载增加，而需要加固的问题。结构加固方法可以分为两类，即直接加固法和间接加固法。工程中常用的钢筋混凝土梁的加固方法有[1]：加大截面加固法、外包钢加固法、粘钢加固法等。这些加固方法主要存在以下不足：尺寸增加较大，加固效果较差;工艺复杂，施工困难;传力复杂，耐久性差。本文提出一种钢筋混凝土梁的新型加固方法，可保证角钢与梁的紧密结合，该加固方法传力明确、可靠，可大幅提高结构承载力，且工艺简单，施工方便。钢筋混凝土梁的新型加固方法，已获得实用新型专利，专利号：ZL201120165733.2。

1 钢筋混凝土梁的一般加固方法

对受弯构件进行加固，主要提高受弯构件的抗弯、抗剪承载能力，增加刚度，以达到对受弯构件加固、补强的目的。

本文依據《混凝土结构构造手册》[1]中提供的混凝土梁加固方法，分析传统加固方法的不足。

1.1 U型箍加固

图1所示为U型箍加固的简图，该加固方式主要存在如下不足：①梁底部扁钢条与两角钢焊接，沿梁轴线的扁钢箍或钢筋箍与梁下角的角钢也采用焊接。焊接一方面易使角钢变形，导致角钢与梁不能紧密粘结甚至粘结失效，另一方面焊接也容易咬伤受力构件，影响加固效果。②角钢与梁用乳胶水泥、环氧树脂化学灌浆等方法粘结，易老化，其耐久性难以保证。

1.2 斜倒U型箍加固

图2所示为倒U型箍加固，该加固方式主要存在如下不足：①梁的斜截面采用倒U形箍筋，斜U型箍弯折处难以形成直角，而梁底一般为直角，即使在被加固梁的下侧设钢垫板，在U形箍转折处依然会造成梁底角的破损，且工艺复杂。②倒U形箍与斜截面相交设置，需在板中打斜向孔洞，施工困难。

1.3 U型箍板加固

附加锚固扁钢加固（图3），主要存在如下不足：①梁底加固钢板与梁间的粘接剂易老化，加固耐久性难以保证。②梁底粘钢只可增加40%的承载力，加固能力有限。③梁斜截面粘接并联U形箍板进行加固，用胶粘贴在梁上，其结合程度难以控制。④ 为了锚固U型箍板，需在上端粘贴纵向钢压并以膨胀螺栓锚固于梁上，传力不直接，且工艺繁琐。⑤ U型箍板高度仅延伸至梁板底，影响整体加固效果。

2 钢筋混凝土梁的新型加固方法

针对现有上述常用加固方法的不足，依据钢筋混凝土梁的受力机理，结合工程的实际，参照《混凝土结构加固构造》[2]及《钢结构设计规范》[6]，对传统加固方法进行改进，提出一种钢筋混凝土梁的新型加固方法-倒U型螺杆新型加固法。

2.1 倒U型螺杆新型加固法

作为钢筋混凝土梁新型加固方法，主要特征如图4所示。

新型加固方法采用两角钢分别粘贴于梁底角，将倒U型螺杆向下依次穿过上部钢垫板和楼板，在梁的底角通过锁紧螺母固定在下部钢垫板之上。之后在楼板上浇筑钢筋混凝土保护层，覆盖U型螺杆和上部钢垫板，提高了楼板的承载力，达到楼面外表面的美观性要求。

2.2 倒U型螺杆新型加固法的优点

倒U型螺杆加固钢筋混凝土梁提供了一种保证角钢与梁紧密结合的方式。与现有技术相比，倒U型螺杆加固法具有如下优点：

1）角钢与梁间粘结力、倒U型螺杆施加给角钢的预应力使得角钢与梁的紧密结合得到了双重保障。

2）梁底的下部钢垫板、角钢、倒U型螺杆形成了钢构套骨架，通过对梁施加预应力而形成一个受力整体，可明显提高结构承载力，不仅传力明确，而且避免了传统焊接时角钢产生变形及咬伤。

3）倒U型螺杆穿过楼板，固定于梁底的下部钢垫板上，即实现对梁斜截面的全高加固，又避免了对梁底直角棱的破损。

4）倒U型螺杆从上往下穿插，并采用螺栓连接，工艺简单、方便施工。

3 工程应用

3.1 工程概况

重庆市北部新区某商务中心办公楼建于2007年，为21层框架剪力墙结构，建筑总高度79.8m，A级高度。办公楼投用后，第13层的B-13、B-14两条轴线之间的整跨，由原来的办公用房改变为档案库使用，其柱距9.3m×8.1m，总面积约286m2，层高3.6m。原设计的办公用房楼面活荷载标准值为2.0kN/m2，而现用途的档案库楼面活荷载标准值增大到7.5kN/m2。为确保安全，需对改变房间功能后原楼柱、梁、板的安全性进行评价，必要时进行加固改造。

3.2 计算分析

原结构按照结构安全等级为二级，构件抗震等级为三级、6度抗震设防、第1组、III类场地，室内环境类别为一类。原结构混凝土为C30，钢筋混凝土主、次梁截面分别为：350×700mm、250×500mm，主、次梁梁底主受力筋分别为4C25、3C16，端部负弯矩分别为6C25、3C20，主筋钢筋等级为HRB400，箍筋钢筋等级为HPB235。

采用中国建筑科学研究院编制的SATWE程序对结构进行计算分析。依据原设计图纸在SATWE计算模型中输入结构构件几何参数，活荷载取按建筑功能改造改变后的楼面活荷载标准值7.5kN/m2。计算分析表明：梁的配筋不能满足承载力要求[3][4]，板的跨中及支座配筋均不能满足承载力要求和正常使用要求[3][4]。因此需要对梁和楼板进行加固处理。

3.3 加固方案及验算

3.3.1 加固措施

楼板采用板底粘贴碳纤维复合材和板顶浇筑混凝土的混合加固方法，具体的加固计算和操作详见文献[5]。主梁和次梁的加固即采用本文提出的倒U型螺杆新型加固方法，如图6（a）所示，为了满足防火要求，所有外露钢构件据均采用热镀锌、并刷防火涂料的措施（图6（b））。

主梁梁底两角的角钢采用L140×10，倒U型螺杆采用A20@200，下部和上部钢垫板分别采用钢板-14×100×500mm、-14×100×480mm，钢材为Q235B，倒U型螺杆用HPB300。梁端负弯矩处浇筑钢筋混凝土，其中受力钢筋增加4C25，新浇筑60mm厚的C35混凝土层。

次梁梁底两角的角钢采用L100×10，倒U型螺杆采用A12@300，下部和上部钢垫板分别采用钢板-10×80×320mm、-10×80×300mm，鋼材用Q235B，倒U型螺杆用HPB300;梁端负弯矩处新浇筑50mm厚的C35混凝土层。

3.3.2 加固后结构承载力的验算

办公用房因使用功能改变而增载后，主梁跨中正弯矩为609kNm，端部最大负弯矩为732kNm，依据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）[7]计算加固后结构的承载力。对于矩形截面受弯构件的受拉面外包型钢进行加固时，加固后正截面的承载力要满足：

类似可验算主梁抗剪和次梁承载力均满足要求。

主梁采用倒U型螺杆新型加固方法加固后，梁的承载力为加固前的近4倍，大大提高了构件的承载力，较好的满足了档案库的承载力要求。

3.4 加固效果

本档案库已投运了9年，经检测加固后的梁板没有不良反应，使用状况良好，取得了理想的加固效果。且在在加固施工中，不需要支底模，倒U型螺杆由上往下穿、螺栓连接，大大方便了施工，现场工期不到传统技术方案的一半，综合造价节省了约30%。

4 结语