南京市某教育建筑框架梁的加固方法对比分析

余长青，贾慧娟，施浩迪 （金陵科技学院 建筑工程学院，江苏 南京 211169）

1 引言

随着国家对教育事业的大力推进，教育环境问题逐渐成为社会焦点。对学生进行素质教育的同时，应尽可能满足其对大空间、大采光、安全性能好的教育建筑需求。因此，如何高效地对教育建筑进行加固改造已成为重要课题。其中，对教育建筑框架梁的加固改造是目前较为主流的方式。国内不少学者对此展开研究，如孙勇等[1]研究得出姜堰实验小学对钢筋混凝土框架梁选用了粘贴碳纤维布的加固方法，抗震性能得到大幅提升；林于东等[2]使用U型钢板箍对普通钢筋混凝土梁试件进行加固，有效提高了梁的斜截面受剪承载力；魏常宝等[3]对某多层框架结构办公楼的梁采用外包混凝土增大截面法和外包钢筋法进行加固，对建筑结构的动力特性改善明显；赵心涛[4]对平度市某中学的主梁进行鉴定，并提出碳纤维布加固和粘贴钢板加固的处理建议。本文基于教育建筑改造实例，对现有的加固方式进行分析比较，得出相对更经济优效的加固方式。

2 框架结构中梁的常用加固方法及施工工艺

目前常用的加固方法有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法。

增大截面加固法是一种通过增大原构件的截面尺寸并增配钢筋以提高构件强度和刚度的传统加固方法。该方法施工简单、适应性强，对增大梁的强度、刚度以及稳定性效果显著，但是工程量大、周期长、占用空间面积大。其施工工艺是去掉加固对象的荷载后，选用凿毛法、喷砂法、高压水射、切割打磨法等方式确认合适的新、旧混凝土结合面[5]，提高结构的整体性，然后涂抹界面剂，提高粘结性，最后植筋、绑扎、安装混凝土、养护、脱模。

粘贴钢板加固法是通过结构胶在梁结构外侧薄弱部位粘贴钢板，使两者协同作用提高刚度的一种加固改造方式。该加固方法无需破坏原有的梁结构，施工起来相对简单快速，所需周期短，但对结构胶的依赖性较大，需要结构胶强度高、耐老化性能好、有较高的弹性模量和较强的粘结力。该方法在工程中的使用比较广泛，其加固后的结构耐久性能较好，造价相对较低。施工前先放线定位，然后对混凝土表面打磨和修补，对钢材打磨和除锈，再涂抹粘结剂在混凝土表面上，最后将钢板粘贴到混凝土上，等待固化完成，选用超声仪检测或用锤子锤击钢板，如无空洞声，则粘贴完好[6]。

粘贴纤维复合材料加固法是利用结构胶把碳纤维布粘贴在梁受损部位，使之形成整体，共同受力，改善构件的受力状态。纤维复合材料具备抗拉强度高、重量轻、耐久性好、施工方便快捷、质量易于保证等优点。加固后梁的外观和高度无明显变化，但纤维复合材料价格普遍较高，整体造价较大。在粘贴碳纤维布时，对加固构件卸荷，打磨混凝土，去除杂质，涂抹粘结剂，然后根据图纸剪裁碳纤维布的具体尺寸，将其粘贴在混凝土表面，最后在碳纤维布上喷防火涂料，提高耐火性，防止破坏。

除此以外，还有预应力加固法和增设支点加固法等其他的加固方式。预应力加固法采用体外预应力拉杆，此方法虽然会对梁结构外观产生较大影响，但计算相对简便、施工快捷、造价低廉。施工时把原有柱子顶部钢筋凿出，用钢板焊在钢筋上，每根柱上围三面钢板，并在钢板交接处进行焊接，然后用钢件焊于柱顶钢板相应的位置上。增设支点加固法包括弹性支点法和刚性支点法，该方法依靠增加支点，减少结构的跨度与内力，提高承载力。这种方法虽然操作简易，但是影响空间的使用，并且施工上必须保证支点的紧密结合与结构力的有效传递。

3 某教育建筑框架梁的加固分析

3.1 工程概况

本工程为南京市某小学主楼结构加固，加固结构的立面图如图1 所示，始建于上世纪70 年代末，建筑功能为教学及办公。工程总建筑面积为1150m2，五层单跨框架结构，平面呈长方形布置。工程外观质量良好，主体结构构件没有明显扭曲、倾斜或歪扭，支撑大梁的墙体无竖向裂缝，目前仍然处于正常使用的状态。

图1 南京市某小学主楼结构立面图

施工角度方面，增大截面法和粘贴钢板法较为传统，技术成熟，而粘贴纤维复合材料加固法兴起时间晚，施工技术要求高；工期方面，增大截面法的施工时间长，粘贴钢板法和粘贴纤维复合材料加固法则相对较短。综合考虑以上两方面因素，该工程选用增大截面法和粘贴钢板法进行对比研究。

3.2 既有教育建筑的模拟计算

本文采用有限元软件对该工程进行模拟计算。首先依据图纸建立五层框架结构的三维模型，其次对每层楼随机选择五根框架梁分别用增大截面法和粘贴钢板法进行加固，最后对比分析两种方式的加固效果。图2 为三维框架模型图。

图2 三维框架模型图

考虑到该工程每层楼的布局相似，因此采用钢卷尺和激光测距仪，在该工程顶层随机抽取部分梁构件，并测量截面尺寸，具体测量结果见表1。图3为顶层平面图。

表1 梁构件截面尺寸测量结果汇总表

图3 顶层平面图

用增大截面的方式对每层楼对应位置的五根梁进行加固，各截面向h 方向底部增加200mm 高度并适配HPB300级钢筋3Ф20，图4 为梁5-1 增大截面法施工图。

图4 梁5-1增大截面法施工图

用粘贴钢板的方式对每层对应位置的五根梁进行加固，各截面的梁底部粘贴6mm×200mm 梁净跨的钢板，侧面粘贴4mm×100mm@300mm 的U 型箍板，钢材型号为Q235B。图5 为梁5-1粘贴钢板法施工图。

图5 梁5-1粘贴钢板法施工图

3.3 模拟结果分析

本文通过有限元软件的计算结果，主要从受力和刚度两个角度对比，分析两种加固方式在《工程结构通用规范》（GB 55001-2021）荷载条件下的具体表现情况。

3.3.1 受力分析

梁的受力分析见表2，通过对比该梁的弯矩和剪力来分析两种加固方式的加固效果。加固前该梁的最大弯矩为608.3kN·m，增大截面加固后，该梁的最大弯矩提高为677.3kN·m；粘贴钢板加固后最大弯矩为608.8kN·m，与加固前差距不大。

表2 梁的受力分析表

加固前该梁的正剪力为53.0kN，负剪力为-46.9kN；增大截面加固后，该梁的正剪力提高到53.7kN，负剪力为-51.4kN；粘贴钢板加固后正剪力为53.1kN，负剪力为-46.8kN，与加固前变化不大。

3.3.2 变形分析

鉴于单根梁的变形较小，对比不明显，本文分析加固前后整个楼层的变形情况。如表3 所示，以顶层数据为例，加固前顶层X向刚度为5.939×103kN/m，Y向刚度为5.693×103kN/m，竖向荷载作用下的楼层最大位移为-2.27mm；增大截面加固后顶层X 向刚度为6.587×103kN/m，Y 向刚度为5.695×103kN/m，竖向荷载作用下的楼层最大位移为-1.86mm；粘贴钢板加固后X 向刚度为5.937×103kN/m，Y 向刚度为5.691×103kN/m，竖向荷载作用下的楼层最大位移为-1.92mm。

表3 楼层的变形分析表

从X 向刚度来看，增大截面加固法提高较多，粘贴钢板加固法提高较低；从Y 向刚度来看，两种加固方式均提高不多；从楼层最大位移来看，两种加固方式均有较大的优化，但增大截面加固法效果更佳。

4 经济效益分析

从材料角度分析，对每层楼的部分梁构件采用增大截面加固法需要增加混凝土5.68t，市场均价158 元/t，小计897.44元，使用HPB300级钢筋0.44m3，市场均价约4200 元/t，小计14506.8 元，合计15404.24 元。而粘贴钢板加固法需要Q235B 钢板6.35t，市场均价为3900 元/t，小计24765 元，结构胶500元，合计25265 元。表4 为两种加固方式的材料成本统计表。

表4 两种加固方式的材料成本统计表（单位：元）

从施工角度分析，增大截面加固法需要等待新、旧混凝土形成整体，后期需要养护，施工工期长，人工成本高；粘贴钢板加固法施工技术简单、工期短、人工成本低。增大截面加固法虽然材料成本低于粘贴钢板加固法，但工期远长于粘贴钢板加固法，导致施工成本大大增加。总体而言，两种加固方式的总成本相差不大，但粘贴钢板加固法极大地缩短了工期，满足教育建筑工期紧张的要求，适用性广。

5 结束语

本文针对既有的教育建筑实际工程进行了两种加固方式的对比分析，得出以下结论。

①增大截面加固法和粘贴钢板加固法均在一定程度上对结构起到了有效的加固效果。相较于加固前，增大截面加固法和粘贴钢板法都提高了梁的承载力，减小了楼层的竖向位移变形。

②从承载力的角度分析，增大截面加固法对梁的弯矩与剪力的变化大于粘贴钢板加固法；从变形的角度分析，粘贴钢板加固法与增大截面加固法均起到了良好的加固效果，但增大截面法的加固效果更显著；从经济效益角度分析，粘贴钢板法总体成本与增大截面法相差不大，但施工工期短。

③考虑到教育建筑应尽量不压缩教学空间和施工时间有限的特殊性，相较于增大截面法，粘贴钢板法既能起到一定程度的加固效果，又能在短时间内完成施工。