建筑加层后钢筋混凝土梁加固方法

□文/李庆芳

在工业与民用建筑建设中，改扩建工程经常遇到，因此建筑结构工程中的结构加固就成为必然要面对的问题。认清原有结构的受力特征，减少加固的施工难度，减少对原有结构的破坏，是解决结构加固的首要考虑。

1 工程概况

某工厂一单层包装车间，钢筋混凝土框架结构，屋面高度7.0 m，屋面结构采用主次梁布置。为满足工艺需求，现增加一层。原设计屋面活荷载1 kN/m2，加层之后的楼面设计活荷载为10 kN/m2。梁、板、柱混凝土强度等级均为C40，平面布置见图1。

图1 屋面模板配筋

2 结构分析

KL-1梁加载前后的受力情况见表1和表2。

表1 KL-1梁加载前后的配筋 mm

表2 KL-1梁加载前后的受力

由表1和表2可知，钢筋混凝土梁跨中弯矩超出加固之前最大承载力的63.2%，支座弯矩超出加固之前最大承载力的34.7%，剪力满足要求，挠度用到了最大允许挠度的73.3%，跨中配筋相差53.8%，支座配筋相差50%。由此可知，加载之后钢筋混凝土梁承载力明显不够，须对此钢筋混凝土梁加固。

3 加固计算

3.1 正截面加固

钢筋混凝土梁正截面加固见图2。

图2 KL-1梁加固

1）跨中截面加固计算。在自重作用下混凝土受压区高度x为

式中：ε——梁受压区高度系数；

ho——梁截面有效高度，965 mm；

α——梁截面抵抗矩系数；

M1——梁自重作用下的弯矩设计值，408.7 kN·m；

f c——混凝土轴心抗压强度设计值，19.1 N/mm2；

bf——T形截面受压区翼缘计算宽度，2 200 mm。

根据式（1）～（3）得x=11 mm。

在板顶面开槽约35 mm(凿去板顶面后浇层)，则x1=11+35=46（mm）。

H型钢的抗拉力N1=A·f=[12×520+12×(520-24×2)+12×126]×310=4 158 960（N）

式中：A——H型钢净截面面积，mm2；

f——钢材的抗拉强度设计值(Q345)，N/mm2。

混凝土受压区高度x1=ε·ho-x1=0.544×965-46=478（mm）

混凝土抗压力NO=f c·bf·hf1+f c·b·(x1-hf1)=19.1×2 200×(150-46)+19.1×400×(478-150-46)=6 524 560（N）

式中：hf1——T形截面受压区翼缘计算高度，mm；

b——钢筋混凝土梁截面宽度，mm。

H型钢的抗拉力N1＜混凝土抗压力NO。

按H型钢的抗拉力计算加固后梁的承载力。

x2=N1/（bf·f c）=4 158 960/（2 200×19.1）=99（mm）

式中：x2——按H型钢的抗拉力计算的混凝土受压区高度，mm。

则加固后梁的跨中受弯承载力M2=ζ·e·N1+M1=0.5×(0.855+0.15/2+0.099/2)×4158.96+408.7=2446（kN·m）＞1 287 kN·m，满足要求。

式中：ζ——考虑H型钢与混凝土接触面受力之后产生相对滑移，从而对整体强度的折减系数，宜取 0.5～0.8；

e——H型钢形心到混凝土受压区高度x2形心之间的距离。

2）支座处受弯承载力计算。将H型钢截面换算为混凝土截面bt=A·Es/（Ec·h1）=13 416×206×103/（32.5×103×150）=567（mm）

式中：bt——经换算后的H型钢宽度，mm；

h1——H型钢的计算高度，mm；

Es——钢材的弹性模量，kPa；

Ec——混凝土的弹性模量，kPa。

支座处混凝土受压区高度x3=As·f y/（bt·f c）=3 927×300/（567×19.1）=109（mm）

式中：As——支座处受力钢筋截面面积，mm；

f y——Ⅱ级钢筋抗拉强度设计值，kPa。

则加固后梁的支座处受弯承载力M3=As·f y·（h2-x3/2）=3 927×300×（1 000+150-70-109/2）=1 208（kN·m），加载之后支座处弯矩为-1 320 kN·m与加固之后支座受弯承载力比较接近。

式中：h2——加固之后支座处梁截面有效高度，mm。

3.2 斜截面实际抗剪承载力

加固后的钢筋混凝土梁可以考虑斜截面混凝土、原钢筋混凝土梁箍筋、U型螺栓、H型钢腹板4种因素来承担剪力。

V=Vc+Vs+Vu+Vb=0.7·f t·b·ho+1.25·f yv·(Asv/s)·ho+f yu·(Asu/su)·ho+bv·hf·f v=0.7×1.71×400×965+1.25×210×(201/100)×965+0.5×210×(760/200)×965+12×(150-24)×125=1545(kN)＞979.5 kN，抗剪强度提高了57.7%。

式中：Vc——钢筋混凝土梁斜截面上混凝土受剪承载力设计值，kN；

Vs——钢筋混凝土梁斜截面上箍筋受剪承载力设计值，kN；

Vu——钢筋混凝土梁斜截面上U型螺栓受剪承载力设计值，kN；

Vb——H型钢腹板受剪承载力设计值，kN；

f t——混凝土轴心抗拉强度设计值，kN/mm2；

f yv——箍筋抗拉强度设计值，kN/mm2；

f yu——U型螺栓抗拉强度设计值，kN/mm2；

f v——钢材的抗剪强度设计值，kN/mm2；

Asv——同一截面内箍筋各肢的总截面面积，mm2；

Asu——同一截面内U型螺栓各肢的总截面面积，mm2；

s——沿钢筋混凝土梁长度方向箍筋间距，mm；

su——沿钢筋混凝土梁长度方向U型螺栓间距，mm；

bv——H型钢腹板宽度，mm；

hf——H型钢腹板高度，mm。

4 构造措施

采用上述加固计算须保证混凝土梁与H型钢的整体性，为使上述计算公式与实际受力模型相符合，工程实践中采取了以下主要构造措施。

1）混凝土梁底必须铲平，使H型钢与混凝土梁底紧密结合。梁底与型钢上翼缘用化学螺栓或膨胀螺栓连接。

2）U型螺栓须采用双螺帽拧紧，防止螺帽松动。

3）整个截面外包强度等级不低于C25的细石混凝土，附加钢筋网片φ6 mm@200 mm。

4）在混凝土楼板顶部将后浇层剔除。

5）H型钢端部与混凝土柱的构造连接见图3。

图3 H型钢端部与混凝土柱的连接

5 结语

在结构加固工程中，加固方案灵活多变，所涉及到的加固计算也各不相同，采用本文介绍的加固计算及构造措施，有效解决了钢筋混凝土梁的强度和挠度问题，同时加固后的钢筋混凝土梁截面较小，使房屋的净空得到了保证。

［1］GB 50010—2002，混凝土结构设计规范［S］.

［2］CECS 25：90，混凝土结构加固技术规程［S］.

［3］GB 50017—2003，钢结构设计规范［S］.