淺析鋼板混凝土組合梁的加固

以鋼板混凝土組合梁加固方法為主要的研究對象，總結(jié)了組合梁的類型和特點，歸納了國內(nèi)相關(guān)研究學(xué)者對鋼板混凝土組合梁結(jié)構(gòu)承載力降低或由在外力作用下結(jié)構(gòu)遭受破壞的情況下，包鋼加固法，粘貼鋼板法，錨粘（焊）鋼板加固法等3種加固措施方法，為鋼板混凝土組合梁加固提供理論基礎(chǔ)和實踐應(yīng)用，同時提出了進一步的完善相關(guān)施工工藝規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)的建議。

鋼板混凝土組合梁，外包鋼加固，粘貼鋼板，錨粘（焊）鋼板

TU746.3A

施工技術(shù)與測量技術(shù)施工技術(shù)與測量技術(shù)

［定稿日期］2023-05-21

［基金項目］南寧學(xué)院科研項目（項目編號：2019XJ18）；南寧學(xué)院科研平臺項目（項目編號：KYPT202215）；南寧市青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培育項目（項目編號：RC20190208）

［作者簡介］張鑫玉（1988—），男，碩士，工程師，講師，研究方向為結(jié)構(gòu)工程。

0" 引言

隨著社會科技的不斷進步，我國建筑物結(jié)構(gòu)材料從木，再到瓦、磚、石材等在建筑材料中的使用，建造出堅固的木架建筑、木骨泥墻建筑、磚木結(jié)構(gòu)、石橋梁等；17世紀(jì)后，隨著工業(yè)革命工業(yè)化的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在橋梁和房屋中；19世紀(jì)20年代，由于波特蘭水泥的成功制成，造就混凝土的問世。結(jié)合混凝土抗壓強度好，鋼筋的抗彎能力強，便出現(xiàn)了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，后又有預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)，使建筑結(jié)構(gòu)得到飛躍發(fā)展。由于在鋼混組合建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中，如地震、二次結(jié)構(gòu)裝修、火災(zāi)等，組合梁難免會出現(xiàn)局部開裂、老化，而鋼材具有足夠的延展性，因此用鋼材加固組合梁成為常用的加固方法。如何能夠有效加固成為眾多研究人員研究的目標(biāo)。

1" 組合梁的類型

組合梁是將鋼板、鋼梁、混凝土等通過一定的連接方式形成一個整體，共同組合協(xié)同工作的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件。組合梁的分類主要分為：

（1）按照混凝土翼緣不同，可以分為現(xiàn)澆混凝土翼板組合梁、預(yù)制混凝土翼板組合梁、疊合板翼板組合梁、壓型鋼板混凝土翼板組合梁。

（2）按照截面形式不同，可以分為外包混凝土組合梁、T形組合梁、側(cè)錨組合梁。

（3）按照鋼梁形式不同，可以分為工字形組合梁、箱形組合梁、鋼桁架組合梁、蜂窩形鋼梁組合梁等。

2" 鋼板混凝土組合梁的特點

由于鋼板混凝土組合梁在實際工程中為廣大工程設(shè)計人員在建筑結(jié)構(gòu)加固并使用，吳建平等［1］對此組合梁特點進行了歸納，主要有幾個特點：

（1）發(fā)揮各自特性。鋼板混凝土組合梁能夠充分發(fā)揮鋼板的抗高溫、抗高壓、抗低溫、耐腐蝕，而混凝土材料具有價格低、粘接性好等特點。

（2）增加組合梁結(jié)構(gòu)剛度。由于在鋼板混凝土組合梁共同受力中，混凝土板在翼板的作用，梁截面重心均會向板的方向移動，從而使鋼板混凝土組合梁腹板大部分處于受拉狀態(tài)，致使組合梁的截面剛度還是側(cè)向剛度都增大。在同一荷載作用下，鋼板組合梁可以比普通梁的梁高低，還能夠避免鋼梁腹板發(fā)生局部受壓屈服。

（3）節(jié)約工程項目成本。在同一受力構(gòu)件使用過程中，采用鋼板混凝土組合梁共同工作比用純鋼板梁的成本降低約20%～40%；施工過程中，可以以鋼板組合梁作為模板的支撐體系，現(xiàn)場澆筑混凝土樓面（橋面）板，不但能夠節(jié)省施工模板周轉(zhuǎn)材料的使用量，還能夠加快施工進度。

（4）提高生活環(huán)境質(zhì)量。鋼板混凝土組合梁在橋梁使用過程中，可以減少噪聲污染；在房屋結(jié)構(gòu)中，可以減少梁高，為增加房屋凈空或者降低房屋總高度帶來一定的優(yōu)勢。

綜上所述，鋼板混凝土組合梁無論在結(jié)構(gòu)上、經(jīng)濟上、還是環(huán)保中，都能夠給社會帶來一定的效益，因此，鋼板混凝土組合梁在工程建設(shè)中，占有舉足輕重的地位。

3" 鋼板混凝土組合梁的加固方法

鑒于鋼板混凝土組合梁在建筑工程、橋梁工程的應(yīng)用，因此，如何對鋼板混凝土組合梁進行加固，許多研究人員進行了探討。基于最近幾年的加固方法中，有增大截面法、纖維復(fù)合材料加固法、外包鋼加固法、粘貼鋼板法、錨粘（焊）鋼板等方法，本文主要從外包鋼加固法、粘貼鋼板法、錨粘（焊）鋼板這3種方法進行介紹。

3.1" 外包鋼加固法

外包鋼加固法是指采用型鋼或者鋼板在原損壞構(gòu)件外表面的四角、兩側(cè)或者底面進行包裹，在包裹縫隙間填灌高強度的水泥砂漿或者其他漿料，并以套箍作為連接件，以提高加固后構(gòu)件的整體受力性能［2］。

陳軒［2］以浙江舟山電廠脫硝改造工程項目中的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)受力特性，以外包鋼加固形式對梁柱節(jié)點進行深入研究，從加固后組合梁的承載能力和破壞模式進行混凝土損傷塑性模型及相關(guān)材料參數(shù)選取，在不同受力階段，加固后的梁的受力變化，以此對比未加固的梁，得出加固后的組合梁的受力性能得到提升、剛度和延性也增強從而得到修正后的外包鋼組合承載力的相關(guān)計算方法。

高悅［3］提出新型部分外包鋼-混凝土組合梁的腹板中心兩側(cè)混凝土用輕質(zhì)巖棉板替代混凝土，上下翼緣內(nèi)側(cè)以及巖棉板外側(cè)用鋼筋混凝土填充形成“C”形混凝土薄殼，鋼梁翼緣與內(nèi)側(cè)混凝土利用栓釘抗剪連接件進行連接，形成組合結(jié)構(gòu)共同抵抗外部荷載，具體見圖1。這種組合梁具有巖棉板自重較輕的特點，在施工過程中，操作較為簡單，由于其新型材料的使用使之具有更高的經(jīng)濟效益，滿足自然資源持久性發(fā)展的需求。在研究設(shè)計過程中，以6個新型部分外包鋼-混凝土組合梁試件和2個純鋼梁試件進行單調(diào)靜力集中荷載對比，并利用ABAQUS有限元軟件進行有限元精細(xì)化參數(shù)分析，可得組合梁極限承載力較普通純鋼梁極限承載力提高，增大組合梁截面高度來提高新型組合梁的極限受剪承載能力最為經(jīng)濟有效。

張莉［4］提出使用再生混凝土代替普通的高強U形外包鋼的組合梁研究，見圖2。研究中對4組簡支組合梁進行了集中加載試驗。試驗步驟包括材料選取、試件制作與設(shè)計、試件加載、測點布置以及試驗結(jié)果與分析，結(jié)果表明：（1）簡支組合梁受彎形態(tài)變化情況中高強U形外包鋼-混凝土再生混合梁的形態(tài)破壞最輕;（2）得出4組簡支組合梁抗變形能力排序：新型高強U形外包鋼組合梁（鋼梁強、混凝土受力性能強、部分再生混凝土）gt;新型高強U形外包鋼組合梁（鋼梁強、混凝土受力性能弱）≥U形外包鋼組合梁（鋼梁弱、混凝土受力性能強）gt;U形外包鋼組合梁（鋼梁和混凝土受力性能均弱）。

由以上研究可知，外包鋼組合梁的構(gòu)件強度均可用提高構(gòu)件的承載力，但是外包鋼組合梁中，外包使用的鋼材需求量有關(guān)系，在建筑構(gòu)件損壞需要加固時，需要衡量重做與此加固方法更經(jīng)濟才能夠確定加固方式。

3.2" 粘貼鋼板法

粘貼鋼板法是指通過建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板牢牢粘在需要加固的混凝土結(jié)構(gòu)表面，使鋼板與混凝土結(jié)構(gòu)有效結(jié)合，達(dá)到共同受力，提高構(gòu)件相應(yīng)承載力和剛度等性能。這種方法適用性強，施工操作簡便，在實際工程的應(yīng)用廣泛。

羅潤澤［5］以某地下停車場混凝土梁加固項目為例，以3種不同加固形式的混凝土進行試驗，結(jié)果表明，無任何加固措施的鋼筋混凝土梁在試驗中，主要成荷載-撓度曲線為典型的延性破壞的應(yīng)力應(yīng)變過程；以普通鋼板加固的鋼筋混凝土梁在試驗中，以脆性破壞特征的荷載-撓度曲線，應(yīng)力應(yīng)變過程與普通梁的破壞過程極為相似；以不銹鋼板加固的鋼筋混凝土梁在試驗時，呈現(xiàn)脆性剝離破壞特征的荷載-撓度曲線，斷崖式的破壞。因此，在實際工程項目加固時，應(yīng)該首選普通鋼板作為加固材料。

施工技術(shù)與測量技術(shù)張鑫玉， 李明懋： 淺析鋼板混凝土組合梁的加固

唐皇等［6］以著重研究銹蝕鋼筋混凝土梁在不同鋼板加固時承載性能的變化影響，分別從抗彎、抗剪、兩者組合方式的加固進行靜力荷載試驗，研究結(jié)果表明：（1）承載力對比：組合方式加固優(yōu)于抗彎加固方式。兩者組合方式加固的承載力效果最為明顯，提高了107.7％；對于抗彎加固試件，鋼板厚度從3 mm→4 mm→5 mm增加，極限承載力也成增加狀態(tài)，每1 mm的厚度，承載力增加7～18 kN；（2）抗變形能力對比：組合加固銹蝕梁gt;抗彎加固銹蝕梁，鋼板厚度增加能夠提高一定的抗變形能力；（3）延性對比：組合加固銹蝕梁gt;抗剪加固銹蝕梁gt;抗彎加固銹蝕梁，其中組合加固銹蝕梁提高了320.4％。綜上所述，銹蝕梁的加固效果如何，需要同時考慮抗變形能力和延性。

從以上研究內(nèi)容可知，粘貼鋼板法施工工藝比較簡單，普通鋼板作為加固材料可以提高構(gòu)件的抗變形能力、承載力、延性等，但是在建筑構(gòu)件損壞時需要判斷屬于哪一種破壞，以此作為選擇粘貼鋼板法加固方式的依據(jù)。

3.3" 錨粘（焊）鋼板加固法

錨粘（焊）鋼板加固法是指采用連接件將鋼板錨固于需要加固構(gòu)件表面處，使混凝土構(gòu)件與鋼板的加固成一個有機整體，共同承受荷載或變形，從而達(dá)到加固效果。

賈斌［7］在研究中指出錨粘鋼板加固操作便捷，前期工作量較少，使用用低性能膠粘能夠防止鋼板銹蝕，加固后的協(xié)同受力仍舊以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行傳遞。在錨粘鋼板加固鋼筋混凝土梁時，首先要冷軋方式處理鋼板條，除銹，然后在加固處進行整平，用粘貼膠涂抹在經(jīng)處理后的混凝土表面，鋼板打孔，再將鉚釘打入孔時需要有粘貼膠被擠出，最后進行加固防護處理。錨粘鋼板加固的效果會受到相關(guān)加固材料、技術(shù)等影響。

錢威等［8］從加固梁的兩側(cè)和底面進行設(shè)計加固，見圖3錨焊U形鋼板加固的混凝土梁試件。從3組以不同的配筋率、抗剪螺栓間距、抗屈曲螺栓數(shù)量和鋼板厚度研究其變化規(guī)律。由試驗結(jié)果可知，采用錨焊U形鋼板加固混凝土梁在承載荷載過程中，它的破壞模式屬于延性的彎曲破壞，且整體性良好。采用軟件ABAQUS建立模型，進行有限元分析，得出加固效果與配筋率有關(guān)系，配筋率越高反而加固效果越差；當(dāng)抗剪螺栓間距減小時，鋼板與混凝土的滑移量減小明顯，整體性顯著增強；腹板設(shè)置抗屈曲螺栓的數(shù)量越多，則限制側(cè)板的局部滑移和屈曲失穩(wěn)效果越明顯，而單排設(shè)置加固效果最為經(jīng)濟；鋼板厚度的增加對梁的剛度和極限強度均有增加。

采用錨粘（焊）鋼板加固法進行鋼-混凝土組合梁的加固，均能夠在增加加固構(gòu)件的承載力，采用施工操作過程中，對焊接或者鉚接工藝要求高，因此有關(guān)焊接或者鉚接工藝標(biāo)準(zhǔn)還需要進一步的探討。

4" 結(jié)論

隨著裝配式建筑在我國的大力推廣，鋼板混凝土組合梁在建筑和橋梁等領(lǐng)域應(yīng)用越來越多，鋼板混凝土組合梁的加固方法的探索是有必要的。本文通過3種常用的以鋼板為主要加固材料的方法進行鋼板混凝土組合梁的加固，得知鋼板組合梁加固具有良好的承載力性能、抗變形能力、延性等，并為社會帶來良好的綜合效益。在研究過程中，由于考慮因素不夠全面，如施工工藝問題等，因此，如何更好將鋼板混凝土組合梁加固措施更好的使用，還需要國家相關(guān)部門、設(shè)計單位以及施工單位達(dá)成共識，完善相關(guān)工藝施工規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻

［1］" 吳建平，郭志毅.淺析鋼-混凝土組合梁的發(fā)展與應(yīng)用［J］.科學(xué)之友（B版），2008（4）：7-8.

［2］" 陳軒. 外包鋼加固鋼筋混凝土梁承載能力研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2015.

［3］" 高悅. 新型部分外包鋼-混凝土組合梁受剪性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2022.

［4］" 張莉.高強U形外包鋼-混凝土再生混合梁的受彎性能研究［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，37（1）：62-67.

［5］" 羅潤澤.粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的試驗研究［J］.磚瓦，2022（12）：51-53.

［6］" 唐皇，彭建新，王晗.不同鋼板加固方式對銹蝕鋼筋混凝土梁承載性能的影響［J］.土木與環(huán)境工程學(xué)報（中英文），2020，42（6）：103-111.

［7］" 賈斌.鋼筋混凝土梁錨粘鋼板加固技術(shù)研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2021（09）：80-82.

［8］" 錢威，楊鋒，王培成，等.錨焊U形鋼板加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（16）：86-92.