框架梁負(fù)彎矩區(qū)粘鋼加固錨固方法試驗研究

趙更歧，余 剛

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 引言

在實際工程中，由于設(shè)計缺陷或者建筑物功能發(fā)生改變等原因而導(dǎo)致框架梁負(fù)彎矩區(qū)配筋不足的情況經(jīng)常發(fā)生.在對這些結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進(jìn)行加固處理的方法當(dāng)中，粘貼鋼板加固法由于其眾多的優(yōu)點而經(jīng)常被采用［1－3］.對此類承載力不足問題的處理可以采用在梁負(fù)彎矩受拉區(qū)粘貼鋼板的方法對框架梁進(jìn)行加固［4－6］.《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》GB 50367—2006［7］亦給出了處理此類問題的方法，該方法是在梁端頂部粘貼L型鋼板，用U型箍板及錨栓將L型鋼板固定于梁及柱上，并對鋼板在梁及柱上的延伸長度和錨栓的等級和數(shù)量做出了規(guī)定，但該錨固方法對于U型箍板在梁及柱的定位問題未做出明確的規(guī)定.L型鋼板受力時，在梁柱的轉(zhuǎn)角部位稍有變形，則所粘鋼板就不能發(fā)揮其作用.為了找到行之有效的錨固方法來提高對所粘鋼板的錨固能力，筆者對梁端負(fù)彎矩區(qū)抗彎不足的情況采用粘貼鋼板進(jìn)行加固，并采用4種不同的錨固方法進(jìn)行試驗研究.

1 試驗方案和試件設(shè)計

1.1 試驗方案

對三榀H型鋼筋混凝土框架的梁端負(fù)彎矩區(qū)采取不同的錨固方法進(jìn)行粘貼L形鋼板加固，在梁端框架柱承受相同豎向力的條件下對框架梁采取三分點加載，研究在每一種錨固方法下鋼板的受力情況.

1.2 試件設(shè)計

為了便于比較，制作了三榀框架試件.梁柱截面設(shè)計尺寸均相同，混凝土均采用C35商品混凝土，主要考慮以下幾點：①加固在無負(fù)荷情況下進(jìn)行，不考慮二次受力影響;②主要研究梁端負(fù)彎矩不足的加固，跨中及抗剪設(shè)計較強(qiáng)，保證在梁端負(fù)彎矩區(qū)首先出現(xiàn)抗彎承載力不足的破壞;③對比梁全配筋，加固梁配筋較小，不足部分按照等強(qiáng)代換，采用粘貼鋼板予以彌補(bǔ).具體試件尺寸及參數(shù)見表1.

加固鋼板在梁、柱轉(zhuǎn)角處呈L型，向梁端延伸800 mm，向柱上端延伸250 mm，在梁、柱延伸段鋼板上分別設(shè)三道和一道3 mm×80 mm的U形箍板，用直徑為10 mm的螺桿錨入梁柱中.錨固方法一(節(jié)點3)：在L型鋼板轉(zhuǎn)角處加焊L50 mm×5 mm等邊角鋼，通過增加轉(zhuǎn)角處的厚度來增大轉(zhuǎn)角剛度;錨固方法二(節(jié)點4)：在L型鋼板在轉(zhuǎn)角處加焊2塊80 mm×60 mm×10 mm的三角形加勁肋鋼板，通過肋板來增大轉(zhuǎn)角處的剛度;錨固方法三(節(jié)點5)：柱上箍板下邊緣距梁頂30 mm，基本不增大轉(zhuǎn)角剛度;錨固方法四(節(jié)點6)：柱上箍板下邊緣緊貼梁頂面，由箍板來抵御轉(zhuǎn)角的翹曲，間接增大轉(zhuǎn)角剛度.如圖1所示.

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1.3 測點布置及量測方法

在框架梁端縱筋和跨中截面的縱筋處，以及梁柱交界處梁端混凝土側(cè)表面和鋼板上粘貼應(yīng)變片，以此來測量在各級荷載作用下各測點處的應(yīng)變;在框架梁端底部以及梁的跨中布置位移計以測量各級荷載作用下的撓度.

1.4 試驗加載裝置

本試驗為靜力加載試驗，采用如圖2所示的靜力加載裝置.首先用同步鋼在兩個柱子上施加200 kN的恒定壓力，在框架梁上的靜力加載采用三分點加載的方式，觀察并及時畫出梁上出現(xiàn)的裂縫，記錄在每級荷載作用下的數(shù)據(jù)，觀察每級荷載下梁上裂縫的變化，以及粘貼在節(jié)點處的鋼板和粘鋼膠的變化，直至試件完全破壞為止.

2 試驗現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

3個試驗梁均在荷載為30 kN時出現(xiàn)裂縫，對比梁中的梁端負(fù)彎矩區(qū)的縱向受拉鋼筋分別在荷載大小為150 kN和180 kN時達(dá)到屈服應(yīng)變和極限拉應(yīng)變.加固梁Ⅱ的節(jié)點3處梁端負(fù)彎矩區(qū)的縱向受拉鋼筋在荷載為110 kN和145 kN時達(dá)到屈服應(yīng)變和極限拉應(yīng)變;節(jié)點4處的梁端縱向受拉鋼筋在達(dá)到屈服應(yīng)變和極限拉應(yīng)變時的荷載大小分別為145 kN和170 kN.加固梁Ⅲ中節(jié)點5處的梁端負(fù)彎矩區(qū)縱向受拉鋼筋在荷載大小為90 kN和130 kN時達(dá)到屈服應(yīng)變和極限拉應(yīng)變;節(jié)點6處的梁端負(fù)彎矩區(qū)縱向受拉鋼筋在達(dá)到屈服應(yīng)變和極限拉應(yīng)變時的荷載大小分別為110 kN和150 kN.加固梁Ⅱ和加固梁Ⅲ上粘貼的鋼板均在梁開裂后與梁頂面持續(xù)發(fā)生剝離直至試件破壞.

圖2 加載裝置圖Fig.2 Loading devices

2.2 試驗特征值

為了便于比較，取以下幾個特征值進(jìn)行比較，如表2所示，其中，屈服荷載指梁端縱向受拉鋼筋達(dá)到屈服時的試驗荷載，極限承載力以梁端縱向受拉鋼筋達(dá)到極限拉應(yīng)變時的荷載為依據(jù)，撓度為試件破壞時梁跨中的撓度.

表2 試件的特征荷載Tab.2 Characteristic loads of frame

3 試驗現(xiàn)象分析

3.1 開裂荷載

三根梁的開裂荷載均為30 kN，說明梁開裂荷載的大小主要由混凝土的截面尺寸及混凝土的強(qiáng)度等級決定，配筋對鋼筋混凝土構(gòu)件的開裂荷載影響不大，這與規(guī)范規(guī)定一致.

3.2 屈服荷載

取梁柱轉(zhuǎn)角處鋼筋和鋼板的荷載—應(yīng)變曲線，如圖3所示.比較鋼筋達(dá)到屈服時相同部位鋼板的應(yīng)變(應(yīng)力)大小可以看出，在梁端受拉鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變時，節(jié)點4處的鋼板應(yīng)變值最大，節(jié)點3和節(jié)點5次之，節(jié)點6處的鋼板應(yīng)變最小.由此可以判斷鋼板在錨固方法二下更能發(fā)揮作用.從表2及圖3中屈服荷載的大小上，可以看出不論哪種加固方法，加固梁的屈服荷載都比對比梁I的屈服荷載小，所以在加固設(shè)計時應(yīng)該考慮對鋼板利用值的折減(與規(guī)范規(guī)定一致).

圖3 轉(zhuǎn)角處L形鋼板及鋼筋荷載—應(yīng)變曲線Fig.3 The load-stress curve of L shape steel plate and reinforced in the corner

3.3 極限承載力

由表2及圖3所示梁柱轉(zhuǎn)角處鋼筋和鋼板的荷載—應(yīng)變曲線.比較4種錨固方法下鋼筋達(dá)到極限應(yīng)變時的荷載大小可以看出：在錨固方法二下的荷載值最大，采用錨固方法一和錨固方法四時次之，錨固方法三下荷載值最小.從鋼筋達(dá)到極限應(yīng)變時相同部位鋼板的應(yīng)變(應(yīng)力)大小可以看出：在梁端受拉鋼筋達(dá)到極限拉應(yīng)變時，節(jié)點4上的鋼板應(yīng)變值是4個梁端所粘貼鋼板中最大的，由此可以判斷出鋼板在錨固方法二下更能發(fā)揮作用，說明這種錨固方法比其他3種方法更好.同時，從加固梁Ⅱ和加固梁Ⅲ中各梁端負(fù)彎矩區(qū)縱向受拉鋼筋極限承載力的大小上，可以看出不論哪種加固方法，都比對比梁Ⅰ的極限承載力小，所以在加固設(shè)計時應(yīng)該考慮鋼板利用值的折減.

3.4 撓度

圖4為三根梁跨中的荷載—撓度曲線，由圖中可以看出：在同級荷載下，對比梁I的的跨中撓度最小，而在被加固的兩個梁中，加固梁Ⅱ的跨中撓度較加固梁Ⅲ小，說明在同級荷載下，錨固方法一和錨固方法二比其它2種錨固方法的效果好.

圖4 梁Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ跨中荷載—撓度曲線Fig.4 The load-deflection curve ofⅠ、Ⅱ、Ⅲ beam

4 結(jié)論

(1)2個加固梁的承載力均比對比梁小，說明在采用粘貼鋼板加固框架梁負(fù)彎矩區(qū)鋼筋不足后仍不能達(dá)到對比梁的效果，這與加固規(guī)范中對粘鋼加固需考慮鋼板利用值的折減的要求是一致的.

(2)加固梁Ⅱ中的錨固方法四鋼板的應(yīng)力(應(yīng)變)為4種錨固方法中最大.說明這種錨固方法可以使鋼板更有效地發(fā)揮其抗拉能力，提高對鋼板的利用值，從而提高框架梁的承載力.

(3)在采用粘貼鋼板的方法加固梁端負(fù)彎矩區(qū)時，柱上箍板距梁頂面的距離越小，錨固效果越好.建議加固規(guī)范中對柱上箍板距梁頂?shù)木嚯x有所規(guī)定，盡可能使柱上箍板貼近梁頂，從而發(fā)揮鋼板的作用，增強(qiáng)錨固能力.

(4)總之，為了增強(qiáng)粘貼L形鋼板的加固效果，提高鋼板的利用值，要增加鋼板在轉(zhuǎn)角處的剛度，并盡可能使轉(zhuǎn)角處的變形最小.

［1］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

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［7］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50367—2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.