鋼筋混凝土梁正截面加固設計研究

周恒芳

（中原科技學院，河南 鄭州 450000）

0 引言

我國現代土木工程的發展大致分為三個階段［1］：第一階段為大規模建設階段；第二階段為新建建筑與既有建筑改造加固共存階段；第三階段為既有建筑改造加固階段。隨著我國建筑業的快速發展，目前我國已處于新建建筑與既有建筑改造加固共存的第二階段，并且隨著城市大規模建設的完成，新建建筑的速度明顯減緩，需加固改造的建筑物數量逐年增多。世界上很多發達國家已進入既有建筑改造加固為主的第三階段，因此既有建筑改造加固將成為我國土木工程未來研究的主要方向，作為建筑行業的從業人員，很有必要對建筑物的改造加固技術領域進行深入研究。

目前，我國改造加固的建筑物中，對老舊小區［2］、老舊廠房［3］及公共建筑［4］的改造較多，本研究主要就某既有廠房（鋼筋混凝土框架結構）中梁的正截面加固設計進行分析。

1 工程概況

該工程為建成于2008 年的某食品廠房，位于河南省駐馬店市，廠房建筑層數為地上一層，局部有一層地下室及地上一層夾層，廠房為鋼筋混凝土框架結構。由于更換業主，車間生產線所需的生產設備不同，并且樓面處要設置位置不確定的排水溝，因此樓面恒、活荷載分別從1.2 kN/m2、10 kN/m2（均為標準值，不包括樓板自重）增加為4 kN/m2、12 kN/m2。根據房屋安全鑒定報告，梁、板、柱混凝土強度等級由C30 降為C25，其余構件混凝土強度及所有構件的鋼筋強度均滿足原設計要求。經PKPM 軟件模擬計算，建筑物整體指標滿足規范要求，但很多構件設計承載力不滿足要求，需要進行加固。本研究主要就鋼筋混凝土梁的加固設計進行分析，工程加固主要應用PKPM 系列軟件中結構、鑒定加固這兩個部分。

2 梁加固方案初步分析

根據《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367—2013）［5］（簡稱“加固規范”），梁加固可采用增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預應力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法、預應力碳纖維復合板加固法、增設支點加固法、預張緊鋼絲繩網片—聚合物砂漿面層加固法等方法。

該工程由于需要盡快投產使用，計劃工期為35 d，現場常駐工人為15 人，工期緊，而且對整個項目的造價控制嚴格。根據PKPM 計算結果，本工程需要加固的梁量大面廣，粘貼碳纖維布加固法、粘貼鋼板加固法施工簡單、工期短，對主體結構不造成破壞，但承載力的提高有40%的限制；外包型鋼加固法施工簡單、工期短，而且可以大幅度提高承載力，但是加固費用較高；增大截面加固法施工工藝簡單、受力可靠、加固費用低廉，但濕作業工作量大、養護期長，構件尺寸的增大可能影響使用功能，承載力的提高沒有40%的限制。綜合考慮PKPM 軟件計算結果、建設方的需求、工程的整體情況及當地施工水平，初步確定承載力提高低于40%的梁采用粘貼碳纖維布加固法或粘貼鋼板加固法進行加固，承載力提高大于40%時根據工程量的多少可以采用增大截面加固法或外包型鋼加固法。

3 梁加固方案優選分析

在總結已有工程經驗的基礎上，參考相關文獻資料，采用價值工程的方法，構建考慮安全性、適用性、時間性、經濟性、可行性綜合因素的價值模型，對鋼筋混凝土梁加固法進行比較分析，確定鋼筋混凝土梁最優加固方案。在該工程中引入價值工程模型，旨在對多種加固方案進行安全性、適用性、時間性、經濟性、可行性的綜合分析［6-7］，在價值和成本之間尋求最佳平衡點，選出最適合建設方需求的最優加固方案。

價值工程的公式為V=F/C，其中：F為加固方案的功能評價系數，即反映工程安全性、適用性、時間性、可行性優劣程度的系數，對于本工程再增加一項耐久性的要求；C為成本系數，即反映工程經濟性優劣程度的系數；V為加固方案的功能價值系數［8］。與建設方進行充分溝通后，在了解、尊重建設方具體需求的基礎上，結合已有工程經驗，根據工程實際情況，聽取建設方聘請的多位行業專家的意見，確定了本工程各功能目標所占比重，具體見表1。

表1 本工程各功能目標所占比重

本研究以右單元1.300 m 標高處?軸～?軸交C 軸下方3 m 處的連續梁L12 為例進行分析，原設計中L12 配筋圖如圖1 所示，L12 在原荷載及現荷載作用下梁的內力見表2。

圖1 標高1.300處L12配筋圖

表2 原荷載（現荷載）作用下梁（L12）的內力

3.1 梁加固設計計算分析

3.1.1 以L12 第一跨右支座為例進行分析。根據圖1 及表2，第一跨右支座原荷載作用下彎矩M0=-170 kN·m，支座配筋現荷載作用下彎矩M=-329 kN·m，PKPM 計算所需配筋As= 2 320 mm2，現有配筋不滿足計算要求，需要進行加固。僅對比截面上所受到的彎矩，現荷載作用下的彎矩M是原荷載作用下的彎矩M0的1.94 倍，受彎承載力提高幅度超過40%的要求，按正常配筋不能采取粘貼碳纖維布加固法。但此處原設計配筋過于保守，根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）（簡稱“混規”）中條文6.2.10，按混凝土強度等級為C25，梁截面b×h=250×600，計算原配筋下梁正截面受彎承載力為-300 kN·m。梁正截面受彎承載力從-300 kN·m提高至-329 kN·m，提高幅度為9.7%，不超過40%，因此L12第一跨右支座處可以采用粘貼碳纖維布加固法或粘貼鋼板加固法進行梁的加固。

3.1.2 以L12 第三跨梁底部為例進行分析。L12 第三跨梁底部在原荷載作用下的彎矩M0=352 kN·m，梁底配筋，梁頂配筋根據《混規》，按混凝土強度等級為C25，T形梁（b×h×b'f×h'f=250 mm×600 mm×2 667 mm×120 mm）進行計算，原配筋下梁正截面受彎承載力為301 kN·m。原配筋不滿足原設計中梁受彎正截面承載力的計算要求，此處配筋略顯不足。現荷載作用下彎矩M=525 kN·m，現有配筋不滿足計算要求，需要進行加固。且梁正截面受彎承載力從301 kN·m提高至525 kN·m，提高幅度為74%，不可以采用粘貼碳纖維布加固法或粘貼鋼板加固法進行梁的加固，因此L12第三跨梁底部可以采用增大截面法加固法或外包型鋼加固法進行加固。

3.2 梁加固方案分析——受彎承載力提高幅度不超過40%

3.2.1 粘貼碳纖維布加固法（L12 第一跨右支座）。根據《加固規范》中條文10.2.3，梁正截面承載力按式（1）、式（2）、式（3）確定。

由于工程施工時完全移除了樓面所有設備，樓面是全部清空的，除了施工荷載沒有其余活荷載，樓面原有面層還進行了部分破除，施工時大跨梁適當增加了支撐。綜合考慮以上有利因素，梁正截面加固計算時不再考慮二次受力的影響，取εf0= 0。

將M=-329 kN·m、As0=2 016 mm2代入式（1），計算如下ζb，fh=0.85ζbh=248.64 mm＜272 mm，不滿足要求。

根據《混凝土結構加固設計規范》條文10.2.2 及條文說明，規定梁相對界限受壓區高度的最大界限是避免因加固量過大而導致超筋性質的脆性破壞。在PKPM 計算中，無論梁支座還是梁底配筋均按單筋梁受彎截面進行計算，軟件中“分析和設計參數補充定義-基本信息”所含選項“框架梁端配筋考慮受壓鋼筋”，勾選后僅表示在校核梁端受壓區高度不滿足要求時考慮受壓鋼筋的作用，梁正截面受彎承載力計算時不考慮受壓鋼筋的作用，均按單筋梁進行計算，計算結果是偏于保守的。

由于按單筋梁計算不滿足要求，實際梁配筋為雙筋梁。將M=-329 kN·m、As0=2 016 mm2、As0'=代入式（1），計算如下：x=40 mm，將x=40 mm（x＜ξb，fh）代入式（3），求得ψf=3.63（ψf＞1.0），取ψf=1.0；應用式（2），計算得出碳纖維布的有效截面面積Afe＜0，表明如果按雙筋梁計算正截面受彎承載力是滿足要求的，支座處不需要進行加固設計。

由于理論和實際設計不一致，出于安全考慮，也為了和PKPM 的整體計算保持一致，L12 第一跨支座處梁的加固設計仍然按單筋梁進行加固計算，但不再驗算梁相對界限受壓區高度。因為實際梁為雙筋梁，并配置了面積較大的受壓鋼筋（梁底鋼筋，因此不會出現因加固量過大而導致的超筋破壞。

混凝土受壓區高度仍取x=272 mm，但必須充分考慮碳纖維布的強度利用，取ψf=1.0代入式（2），計算得出碳纖維布的有效截面面積Afe=36 mm2。粘貼的碳纖維布采用兩層，需要考慮碳纖維布厚度折減，按《加固規范》條文10.2.4計算得出km=0.9，Afe=40 mm2。兩層碳纖維布厚度為0.334 mm，計算得出所需碳布寬度為120 mm，施工圖中碳布寬度為200 mm。

經計算，除第一跨右支座外，L12 按實際配筋計算承載力后，第一跨、第二跨梁梁底部受彎承載力滿足規范提高幅度不超過40%的要求，均采用粘貼碳纖維布加固法進行加固。

3.2.2 粘貼鋼板加固法（L12 第一跨右支座）。根據《加固規范》條文9.2.3，梁正截面承載力按式（4）、式（5）、式（6）確定。

僅在梁受拉面粘貼鋼板，實際梁配筋為雙筋梁，將M=-329 kN·m、As0=2016mm2、As0'=1520mm2代入式（1），計算得出x=27 mm，由于x=27 mm＜2a'，取x=2a'=90 mm。

如果選用Q235B鋼板，不考慮二次受力影響，根據式（3），計算得出ψsp=13.7＞1.0，取ψsp=1.0。

根據（2），計算得出Asp=415 mm2，選用鋼板150 mm（寬）×3 mm（厚），最終面積為450 mm2，滿足計算要求。

3.3 梁加固設計方案比選——粘貼碳纖維布加固法與粘貼鋼板加固法

3.3.1 確定功能評價系數F。設計單位、施工單位、監理公司相關技術人員及外聘專家對不同梁加固方案的打分見表3、表4。不同加固方案的功能評價系數F見表5。

表3 梁粘貼碳纖維布加固法評分

表4 梁粘貼鋼板加固法評分

表5 梁兩種加固方案的功能評價系數值

3.3.2 確定成本系數C。梁支座處粘貼碳纖維布及粘貼鋼板的框架柱兩側的總長度為5 300 mm。梁粘貼碳纖維布加固法所用主要建筑材料為：兩層碳纖維布，寬度為200 mm；A 級結構膠黏劑。分析計算用料如下：碳纖維布2.2 m2，考慮構造及損耗共2.8 m2；工程加固使用A 級膠2.5 kg。梁粘貼鋼板加固法所用主要建筑材料為：Q235B 鋼板、螺栓、A 級結構膠粘劑。分析計算用料如下：鋼板用量2 400 cm3，考慮螺栓、構造及損耗共2 880 cm3，共0.023 t；工程加固使用A 級膠3.0 kg。梁支座兩種加固方案成本費用分析見表6。

表6 梁支座兩種加固方案成本費用分析

3.3.3 確定梁加固方案。經過梁加固設計方案比選，計算出兩種加固方案的功能評價系數F及成本系數C，根據價值工程計算公式V=F/C可以得出不同加固方案的價值系數V。具體計算過程如下：粘貼碳纖維布加固法，F1=0.51，C1=0.33，V1=F1/C1=1.55；粘貼鋼板加固法，F2=0.49，C2=0.67，V2=F2/C2=0.73。經計算得出V1＞V2，表示梁加固采用粘貼碳纖維布加固法比采用粘貼鋼板加固法要符合建設方的要求，工期短且經濟合理。經計算，除第一跨右支座外，L12 按實際配筋計算承載力后，第一跨、第二跨梁梁底部受彎承載力均滿足規范提高幅度不超過40%的要求，均采用粘貼碳纖維布加固法進行加固。

3.4 梁加固方案分析——受彎承載力提高幅度超過40%

對L12 第三跨梁底，采用增大截面加固法進行設計分析。根據《加固規范》條文5.2.3，梁正截面承載力按式（7）、式（8）、式（9）確定。

根據圖1 及表2，L12 第三跨梁底部在原荷載作用下的彎矩M0=35 2 kN·m，梁底配筋As0=1 520 mm2，梁頂配筋As0'=628 mm2。根據《混規》條文6.2.18，按混凝土強度等級為C25，T形梁（b×h×b'f×h'f=250 mm×600 mm×2 667 mm×120 mm）進行計算，原配筋下梁正截面受彎承載力為301 kN·m。原配筋不滿足原設計中梁受彎正截面承載力的計算要求，此處配筋略顯不足。現荷載作用下彎矩M=525 kN·m，現有配筋不滿足計算要求，需要進行加固。且梁正截面受彎承載力從301 kN·m 提高至525 kN·m，提高幅度為74%，不可以采用粘貼碳纖維布加固法進行梁的加固，需要采用增大截面法進行加固設計。

經PKPM 計算，該工程僅個別梁受彎承載力提高幅度超過40%，工程量很少。外包型鋼加固法對結構受損影響較大，梁增大截面加固可以與地下室的新增剪力墻同時施工，不影響工期。因此，此處梁加固不再進行外包型鋼加固法的比較計算，最終采用增大截面加固法。

4 結論

通過該工程鋼筋混凝土梁正截面的加固設計研究得出以下結論。

①該工程梁正截面的最優加固方案如下：承載力提高低于40%的梁采用粘貼碳纖維布加固法，承載力提高大于40%時采用增大截面加固法、混合加固法。

②梁加固設計時，校核梁加固前的受彎承載力必須用實配鋼筋進行計算，需要考慮實際配筋與計算配筋的差異，以及原設計圖紙中的錯漏之處，因此不能直接采用加固前后荷載作用下PKPM 計算出的梁彎矩進行校核。

③PKPM 中梁的配筋計算均按單筋梁進行正截面受彎承載力計算，梁的實際配筋一般均為雙筋梁，采用PKPM 軟件計算區分出的需要加固的梁偏于保守，一部分梁按雙筋梁進行計算甚至不用進行加固，都能滿足現荷載作用下的承載力要求，因此加固計算中應適當考慮理論計算與實際設計的差異。