纤维复合材加固受弯构件规范条文的理解应用

李文瑞

(晋城市建筑设计院，山西晋城 048000)

0 引言

纤维复合材加固混凝土结构是一种新型的结构加固方法，它是利用树脂类粘结材料将高强纤维织物粘结于混凝土表面，从而达到对结构构件补强加固的目的。目前被广泛使用的碳纤维复合材具有比钢材高出10倍左右的抗拉强度，其弹性模量比钢材高或接近。它可以代替钢筋应用于混凝土的抗弯、抗剪加固，直接有效地提高其承载能力;通过用碳纤维布环向裹筋(环箍)，可间接提高核心混凝土的强度和延性，而将其应用于框架节点和受压柱的承载力加固及提高结构抗震的延性和耗能能力。因此，与传统的加固方法相比，碳纤维加固具有明显的优点:高强、轻质、高效、施工简便。近年来被广泛应用在各类工程加固中。2006年国家颁布了GB 50367-2006混凝土加固设计规范之后，加固设计，特别是粘结加固设计计算方法有了统一、明确的规定，对于规范和统一粘结加固的设计、施工标准具有重大意义。下面笔者根据对GB 50367-2006混凝土加固设计规范的学习和实际加固工程设计过程中遇到的情况，讲几点个人对于采用纤维复合材加固受弯构件正截面的理解。

1 加固的目标与原则

1)原钢筋混凝土梁具有一定的受弯承载力Mu，经纤维复合材加固，增加纤维复合材有效截面面积Afe后该梁所能承担的弯矩设计值为M，M＞Mu，一般设计过程为:经计算先确定M，再推算Afe，进而算出实际需要粘贴的纤维复合截面面积Af。

2)加固后的钢筋混凝土梁的受力特性和破坏形态应控制在适筋破坏的状态下，应避免出现受拉钢筋达到屈服前，并且纤维复合材应力水平较低时受压区混凝土先压坏的超筋破坏形态，规范通过控制相对受压区高度ξbf来实现这一目标。而对于少筋破坏形态，由于原钢筋混凝土梁在设计时已经考虑避免出现这一情况，再经过纤维复合材加固，这种状况一般不会出现。

3)对于经纤维复合材加固后可能出现的混凝土保护层剪切受拉剥离破坏和复合材与混凝土基层间的粘结剥离破坏，规范主要通过:a.控制被加固混凝土结构构件实测强度及表面正拉粘结强度(规范9.1.2条);b.保证纤维复合材粘贴延伸长度(规范9.2.5条);c.控制胶粘剂的物理力学性质(规范4.5节)等措施加以保证。

4)对于加固后的钢筋混凝土梁正常使用阶段裂缝和挠度控制要求及验算公式，规范中没有明确条文。a.关于验算公式:实际情况中，由于被加固钢筋混凝土梁的受力历史、应力水平、已有变形和裂缝情况，加固前允许的卸荷条件等情况较复杂，经纤维复合材加固后的梁，其刚度和裂缝宽度验算的理论和实验结果方面缺少成熟的研究成果。因此《混凝土结构加固设计规范》中未提出明确条文加以控制，但是规范第9.2.10条及其条文说明中规定“钢筋混凝土结构构件加固后，其正截面受弯承载力的提高幅度不应超过40%，并应验算其受剪承载力”。其目的就是为了控制加固后构件的裂缝宽度和变形，并且也为了强调“强剪弱弯”设计原则的重要性。可见加固规范是通过对被加固梁承载力提高幅度的控制来间接进行变形裂缝控制的。b.关于挠度和裂缝控制要求:笔者认为应延用GB 50010-2002混凝土结构设计规范中3.3节的有关规定，具体实际设计过程中的用法在后文中明确。

5)关于二次受力问题，所有加固构件基本上都存在“二次受力”的问题，即原有构件已经承担了一些荷载，相应地已经产生了变形和应力、应变，一般假定加固后构件截面仍遵循平截面假定，即在后加荷载作用下，构件横截面上材料(如钢筋与纤维材复合)的应变的增量，符合平截面假定。在加固前如果原构件受力较大，变形和应力、应变水平较高，则加固后在后加荷载作用下钢筋很快达到屈服，导致构件挠度、裂缝均较大，而此时纤维复合材的应力水平还较低，不能充分发挥其材料性能，造成加固的性价比低。为尽量避免这一情况出现，使构件原有材料与加固材料能在较大程度上共同工作，规范规定:“采用纤维复合材料钢筋混凝土结构进行加固时，应采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的活荷载”。笔者认为，在条件许可的情况下应尽量卸载(包括恒载)，并尽可能维持一段卸载时间，必要时可以对原结构受拉区施加预压应力。

2 实际设计工作中遇到问题的处理

某工程为框架结构，地上7层，6度设防，梁柱混凝土强度等级C30，主要楼板(除楼梯、卫生间现浇外)为预应力空心板，粘土砖空斗墙填充。主体完工后近十年未使用，近期拟改造成一宾馆。由于规范调整、荷载变动、防火要求等原因，已有预应力空心楼板和隔墙全部拆除，改为100厚现浇楼板，加气混凝土砌块墙填充，经检测和计算复核部分梁柱需加固，梁正截面承载力加固主要采用粘贴纤维复合材加固法。

2.1 裂缝和挠度控制问题

本工程加固时原有恒活荷载均已基本卸除，并已维持卸荷状态一段时间，因此加固设计时未考虑二次受力的影响。但根据GB 50010-2002混凝土结构设计规范中3.3节的要求，考虑了挠度和裂缝控制。具体做法是:设计计算采用了SATWE软件，并根据挠度和裂缝控制的要求生成需配钢筋面积，需配钢筋面积与梁中原有实配钢筋面积比较，不足部分考虑加固。用需配钢筋面积按单筋矩形截面梁反算(单筋矩形截面是SATWE程序计算配筋时模型)出梁在控制挠度裂缝情况下“需要”承担的弯矩值，按加固规范的计算要求计算所需纤维复合材面积。

2.2 根据规范公式计算，当受压钢筋As'较多，受压区高度 χ＜2α'的特殊情况

在某些情况下，梁受压区实配钢筋面积较大(如框架梁支座处梁顶需要加固时，梁底纵筋面积通常较大)，此时，将受压区实配钢筋面积代入公式计算受压区高度χ时，如果算得χ＜2α'，则表示实际情况下受压钢筋不会充分利用:即不会达到受压屈服状态。按三种情况进行计算:1)不考虑受压钢筋影响;2)按规范公式计算;3)考虑受压钢筋不能达到充分利用，钢筋压应力未知，为避免计算复杂，对受压钢筋重心取矩计算，有下列三种结果(见实例):

工程实例:某框架梁截面尺寸300×650，矩形截面(原设计楼板为预应力空心板)，混凝土强度等级 C30，实配底筋经计算，考虑裂缝控制的需配上筋为梁上除自重以外所有荷载全部卸除，不考虑二次受力影响，以此计算梁支座处粘贴复合纤维材所需要的面积。

解:

验算:χ=80。

α1fcbx+fy'As'(h－α')－fyAs(h－h0)=1.0×14.3×300×80×(600－)+300×1 388×(600－40)－300×1 490×(600－560)=192.192 × 106+ 233.184 × 106－ 17.88 × 106=407.5 kN·m＞M=263.8 kN·m。

且按此加固后的梁所能承担的弯矩是需要承担弯矩的1.545倍，是加固前受弯承载力的1.795倍。

a.加固前(由于程序计算时不考虑受压区钢筋影响，仍按单筋受弯截面计算):

加固前受弯承载力Mu:

Mu=α1fcbχ=1×14.3×300×104.2×(560－227.04 kN·m。

b.加固后:

加固后需承受的弯矩M:

M=1×14.3×300×123.4×(560－=263.8 kN·m。

c.加固计算:

若不考虑受压钢筋影响:

混凝土受压区高度:

纤维复合材强度利用系数:

纤维复合材有效截面面积:

按规范中9.2.3条公式9.2.3-1考虑受压钢筋影响计算χ:

仍令χ=2α'，对受压钢筋截面重心取矩，该点同时也是混凝土受压区高度的重心，因此弯矩计算不考虑受压区混凝土，仅考虑受拉钢筋和纤维复合材。

对上述情况进行验算:

∑χ=0，Afe·ff+fyAs=σy'As'+α1fcb·2α'。

经验算可知:受压钢筋应力σy'＜fy'。

小结:笔者认为在受压筋较多，混凝土受压区高度χ＜2α'的情况下按照第3)种情况，对受压钢筋重心取矩计算Afe比较合理。按规范公式计算，考虑受压筋充分利用，存在加固过强的情况，应根据情况合理采用。

2.3 小结

在个别情况下，梁受压区钢筋(仅为架立筋或受力筋)直径较细，箍筋配置不满足《混凝土结构设计规范》中第10.2.10条的要求，即:箍筋应做成封闭式，箍筋间距不应大于15倍受压纵筋最小直径。在此情况下，建议不考虑受压钢筋的影响，按As'=0计算梁受压区高度和纤维复合材面积。

[1]GB 50367-2006，混凝土加固设计规范[S].

[2]吕西林.建筑结构加固设计[M].北京:科学出版社，2001.

[3]左成平，左明汉.混凝土结构粘结加固设计与算例[M].北京:中国建筑工业出版社，2007.

[4]张 莉，于艳春.碳纤维布加固木梁抗弯性能全过程分析[J].山西建筑，2011，37(16):37-38.