钢筋混凝土梁正截面加固设计研究

周恒芳

（中原科技学院，河南 郑州 450000）

0 引言

我国现代土木工程的发展大致分为三个阶段［1］：第一阶段为大规模建设阶段；第二阶段为新建建筑与既有建筑改造加固共存阶段；第三阶段为既有建筑改造加固阶段。随着我国建筑业的快速发展，目前我国已处于新建建筑与既有建筑改造加固共存的第二阶段，并且随着城市大规模建设的完成，新建建筑的速度明显减缓，需加固改造的建筑物数量逐年增多。世界上很多发达国家已进入既有建筑改造加固为主的第三阶段，因此既有建筑改造加固将成为我国土木工程未来研究的主要方向，作为建筑行业的从业人员，很有必要对建筑物的改造加固技术领域进行深入研究。

目前，我国改造加固的建筑物中，对老旧小区［2］、老旧厂房［3］及公共建筑［4］的改造较多，本研究主要就某既有厂房（钢筋混凝土框架结构）中梁的正截面加固设计进行分析。

1 工程概况

该工程为建成于2008 年的某食品厂房，位于河南省驻马店市，厂房建筑层数为地上一层，局部有一层地下室及地上一层夹层，厂房为钢筋混凝土框架结构。由于更换业主，车间生产线所需的生产设备不同，并且楼面处要设置位置不确定的排水沟，因此楼面恒、活荷载分别从1.2 kN/m2、10 kN/m2（均为标准值，不包括楼板自重）增加为4 kN/m2、12 kN/m2。根据房屋安全鉴定报告，梁、板、柱混凝土强度等级由C30 降为C25，其余构件混凝土强度及所有构件的钢筋强度均满足原设计要求。经PKPM 软件模拟计算，建筑物整体指标满足规范要求，但很多构件设计承载力不满足要求，需要进行加固。本研究主要就钢筋混凝土梁的加固设计进行分析，工程加固主要应用PKPM 系列软件中结构、鉴定加固这两个部分。

2 梁加固方案初步分析

根据《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013）［5］（简称“加固规范”），梁加固可采用增大截面加固法、置换混凝土加固法、体外预应力加固法、外包型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、预应力碳纤维复合板加固法、增设支点加固法、预张紧钢丝绳网片—聚合物砂浆面层加固法等方法。

该工程由于需要尽快投产使用，计划工期为35 d，现场常驻工人为15 人，工期紧，而且对整个项目的造价控制严格。根据PKPM 计算结果，本工程需要加固的梁量大面广，粘贴碳纤维布加固法、粘贴钢板加固法施工简单、工期短，对主体结构不造成破坏，但承载力的提高有40%的限制；外包型钢加固法施工简单、工期短，而且可以大幅度提高承载力，但是加固费用较高；增大截面加固法施工工艺简单、受力可靠、加固费用低廉，但湿作业工作量大、养护期长，构件尺寸的增大可能影响使用功能，承载力的提高没有40%的限制。综合考虑PKPM 软件计算结果、建设方的需求、工程的整体情况及当地施工水平，初步确定承载力提高低于40%的梁采用粘贴碳纤维布加固法或粘贴钢板加固法进行加固，承载力提高大于40%时根据工程量的多少可以采用增大截面加固法或外包型钢加固法。

3 梁加固方案优选分析

在总结已有工程经验的基础上，参考相关文献资料，采用价值工程的方法，构建考虑安全性、适用性、时间性、经济性、可行性综合因素的价值模型，对钢筋混凝土梁加固法进行比较分析，确定钢筋混凝土梁最优加固方案。在该工程中引入价值工程模型，旨在对多种加固方案进行安全性、适用性、时间性、经济性、可行性的综合分析［6-7］，在价值和成本之间寻求最佳平衡点，选出最适合建设方需求的最优加固方案。

价值工程的公式为V=F/C，其中：F为加固方案的功能评价系数，即反映工程安全性、适用性、时间性、可行性优劣程度的系数，对于本工程再增加一项耐久性的要求；C为成本系数，即反映工程经济性优劣程度的系数；V为加固方案的功能价值系数［8］。与建设方进行充分沟通后，在了解、尊重建设方具体需求的基础上，结合已有工程经验，根据工程实际情况，听取建设方聘请的多位行业专家的意见，确定了本工程各功能目标所占比重，具体见表1。

表1 本工程各功能目标所占比重

本研究以右单元1.300 m 标高处⑬轴～⑯轴交C 轴下方3 m 处的连续梁L12 为例进行分析，原设计中L12 配筋图如图1 所示，L12 在原荷载及现荷载作用下梁的内力见表2。

图1 标高1.300处L12配筋图

表2 原荷载（现荷载）作用下梁（L12）的内力

3.1 梁加固设计计算分析

3.1.1 以L12 第一跨右支座为例进行分析。根据图1 及表2，第一跨右支座原荷载作用下弯矩M0=-170 kN·m，支座配筋现荷载作用下弯矩M=-329 kN·m，PKPM 计算所需配筋As= 2 320 mm2，现有配筋不满足计算要求，需要进行加固。仅对比截面上所受到的弯矩，现荷载作用下的弯矩M是原荷载作用下的弯矩M0的1.94 倍，受弯承载力提高幅度超过40%的要求，按正常配筋不能采取粘贴碳纤维布加固法。但此处原设计配筋过于保守，根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）（简称“混规”）中条文6.2.10，按混凝土强度等级为C25，梁截面b×h=250×600，计算原配筋下梁正截面受弯承载力为-300 kN·m。梁正截面受弯承载力从-300 kN·m提高至-329 kN·m，提高幅度为9.7%，不超过40%，因此L12第一跨右支座处可以采用粘贴碳纤维布加固法或粘贴钢板加固法进行梁的加固。

3.1.2 以L12 第三跨梁底部为例进行分析。L12 第三跨梁底部在原荷载作用下的弯矩M0=352 kN·m，梁底配筋，梁顶配筋根据《混规》，按混凝土强度等级为C25，T形梁（b×h×b'f×h'f=250 mm×600 mm×2 667 mm×120 mm）进行计算，原配筋下梁正截面受弯承载力为301 kN·m。原配筋不满足原设计中梁受弯正截面承载力的计算要求，此处配筋略显不足。现荷载作用下弯矩M=525 kN·m，现有配筋不满足计算要求，需要进行加固。且梁正截面受弯承载力从301 kN·m提高至525 kN·m，提高幅度为74%，不可以采用粘贴碳纤维布加固法或粘贴钢板加固法进行梁的加固，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钢加固法进行加固。

3.2 梁加固方案分析——受弯承载力提高幅度不超过40%

3.2.1 粘贴碳纤维布加固法（L12 第一跨右支座）。根据《加固规范》中条文10.2.3，梁正截面承载力按式（1）、式（2）、式（3）确定。

由于工程施工时完全移除了楼面所有设备，楼面是全部清空的，除了施工荷载没有其余活荷载，楼面原有面层还进行了部分破除，施工时大跨梁适当增加了支撑。综合考虑以上有利因素，梁正截面加固计算时不再考虑二次受力的影响，取εf0= 0。

将M=-329 kN·m、As0=2 016 mm2代入式（1），计算如下ζb，fh=0.85ζbh=248.64 mm＜272 mm，不满足要求。

根据《混凝土结构加固设计规范》条文10.2.2 及条文说明，规定梁相对界限受压区高度的最大界限是避免因加固量过大而导致超筋性质的脆性破坏。在PKPM 计算中，无论梁支座还是梁底配筋均按单筋梁受弯截面进行计算，软件中“分析和设计参数补充定义-基本信息”所含选项“框架梁端配筋考虑受压钢筋”，勾选后仅表示在校核梁端受压区高度不满足要求时考虑受压钢筋的作用，梁正截面受弯承载力计算时不考虑受压钢筋的作用，均按单筋梁进行计算，计算结果是偏于保守的。

由于按单筋梁计算不满足要求，实际梁配筋为双筋梁。将M=-329 kN·m、As0=2 016 mm2、As0'=代入式（1），计算如下：x=40 mm，将x=40 mm（x＜ξb，fh）代入式（3），求得ψf=3.63（ψf＞1.0），取ψf=1.0；应用式（2），计算得出碳纤维布的有效截面面积Afe＜0，表明如果按双筋梁计算正截面受弯承载力是满足要求的，支座处不需要进行加固设计。

由于理论和实际设计不一致，出于安全考虑，也为了和PKPM 的整体计算保持一致，L12 第一跨支座处梁的加固设计仍然按单筋梁进行加固计算，但不再验算梁相对界限受压区高度。因为实际梁为双筋梁，并配置了面积较大的受压钢筋（梁底钢筋，因此不会出现因加固量过大而导致的超筋破坏。

混凝土受压区高度仍取x=272 mm，但必须充分考虑碳纤维布的强度利用，取ψf=1.0代入式（2），计算得出碳纤维布的有效截面面积Afe=36 mm2。粘贴的碳纤维布采用两层，需要考虑碳纤维布厚度折减，按《加固规范》条文10.2.4计算得出km=0.9，Afe=40 mm2。两层碳纤维布厚度为0.334 mm，计算得出所需碳布宽度为120 mm，施工图中碳布宽度为200 mm。

经计算，除第一跨右支座外，L12 按实际配筋计算承载力后，第一跨、第二跨梁梁底部受弯承载力满足规范提高幅度不超过40%的要求，均采用粘贴碳纤维布加固法进行加固。

3.2.2 粘贴钢板加固法（L12 第一跨右支座）。根据《加固规范》条文9.2.3，梁正截面承载力按式（4）、式（5）、式（6）确定。

仅在梁受拉面粘贴钢板，实际梁配筋为双筋梁，将M=-329 kN·m、As0=2016mm2、As0'=1520mm2代入式（1），计算得出x=27 mm，由于x=27 mm＜2a'，取x=2a'=90 mm。

如果选用Q235B钢板，不考虑二次受力影响，根据式（3），计算得出ψsp=13.7＞1.0，取ψsp=1.0。

根据（2），计算得出Asp=415 mm2，选用钢板150 mm（宽）×3 mm（厚），最终面积为450 mm2，满足计算要求。

3.3 梁加固设计方案比选——粘贴碳纤维布加固法与粘贴钢板加固法

3.3.1 确定功能评价系数F。设计单位、施工单位、监理公司相关技术人员及外聘专家对不同梁加固方案的打分见表3、表4。不同加固方案的功能评价系数F见表5。

表3 梁粘贴碳纤维布加固法评分

表4 梁粘贴钢板加固法评分

表5 梁两种加固方案的功能评价系数值

3.3.2 确定成本系数C。梁支座处粘贴碳纤维布及粘贴钢板的框架柱两侧的总长度为5 300 mm。梁粘贴碳纤维布加固法所用主要建筑材料为：两层碳纤维布，宽度为200 mm；A 级结构胶黏剂。分析计算用料如下：碳纤维布2.2 m2，考虑构造及损耗共2.8 m2；工程加固使用A 级胶2.5 kg。梁粘贴钢板加固法所用主要建筑材料为：Q235B 钢板、螺栓、A 级结构胶粘剂。分析计算用料如下：钢板用量2 400 cm3，考虑螺栓、构造及损耗共2 880 cm3，共0.023 t；工程加固使用A 级胶3.0 kg。梁支座两种加固方案成本费用分析见表6。

表6 梁支座两种加固方案成本费用分析

3.3.3 确定梁加固方案。经过梁加固设计方案比选，计算出两种加固方案的功能评价系数F及成本系数C，根据价值工程计算公式V=F/C可以得出不同加固方案的价值系数V。具体计算过程如下：粘贴碳纤维布加固法，F1=0.51，C1=0.33，V1=F1/C1=1.55；粘贴钢板加固法，F2=0.49，C2=0.67，V2=F2/C2=0.73。经计算得出V1＞V2，表示梁加固采用粘贴碳纤维布加固法比采用粘贴钢板加固法要符合建设方的要求，工期短且经济合理。经计算，除第一跨右支座外，L12 按实际配筋计算承载力后，第一跨、第二跨梁梁底部受弯承载力均满足规范提高幅度不超过40%的要求，均采用粘贴碳纤维布加固法进行加固。

3.4 梁加固方案分析——受弯承载力提高幅度超过40%

对L12 第三跨梁底，采用增大截面加固法进行设计分析。根据《加固规范》条文5.2.3，梁正截面承载力按式（7）、式（8）、式（9）确定。

根据图1 及表2，L12 第三跨梁底部在原荷载作用下的弯矩M0=35 2 kN·m，梁底配筋As0=1 520 mm2，梁顶配筋As0'=628 mm2。根据《混规》条文6.2.18，按混凝土强度等级为C25，T形梁（b×h×b'f×h'f=250 mm×600 mm×2 667 mm×120 mm）进行计算，原配筋下梁正截面受弯承载力为301 kN·m。原配筋不满足原设计中梁受弯正截面承载力的计算要求，此处配筋略显不足。现荷载作用下弯矩M=525 kN·m，现有配筋不满足计算要求，需要进行加固。且梁正截面受弯承载力从301 kN·m 提高至525 kN·m，提高幅度为74%，不可以采用粘贴碳纤维布加固法进行梁的加固，需要采用增大截面法进行加固设计。

经PKPM 计算，该工程仅个别梁受弯承载力提高幅度超过40%，工程量很少。外包型钢加固法对结构受损影响较大，梁增大截面加固可以与地下室的新增剪力墙同时施工，不影响工期。因此，此处梁加固不再进行外包型钢加固法的比较计算，最终采用增大截面加固法。

4 结论

通过该工程钢筋混凝土梁正截面的加固设计研究得出以下结论。

①该工程梁正截面的最优加固方案如下：承载力提高低于40%的梁采用粘贴碳纤维布加固法，承载力提高大于40%时采用增大截面加固法、混合加固法。

②梁加固设计时，校核梁加固前的受弯承载力必须用实配钢筋进行计算，需要考虑实际配筋与计算配筋的差异，以及原设计图纸中的错漏之处，因此不能直接采用加固前后荷载作用下PKPM 计算出的梁弯矩进行校核。

③PKPM 中梁的配筋计算均按单筋梁进行正截面受弯承载力计算，梁的实际配筋一般均为双筋梁，采用PKPM 软件计算区分出的需要加固的梁偏于保守，一部分梁按双筋梁进行计算甚至不用进行加固，都能满足现荷载作用下的承载力要求，因此加固计算中应适当考虑理论计算与实际设计的差异。